猎鹰9号火箭发射及箭体复用的分析

猎鹰9号火箭截至2023年年底已完成286次发射。对猎鹰9号火箭特别是Block5版本火箭的发射情况进行了完整梳理统计,重点分析了一级箭体的复用情况以及发射、回收的相关能力保障,对火箭的经济性和未来前景作了预测。

亚轨道远程极速重载运输系统总体设计与控制技术研究

近年来,随着运载火箭复用技术的快速发展,基于航天运载技术实现全球点对点极速运输已受到国际航天界的广泛关注。提出了亚轨道远程极速重载运输系统发展设想,综合利用太空高速的超微阻力特征和大气层内升力起飞及滑翔降落的便利,运载能力达到60 t级,具有小时级全球到达能力。结合任务特点与初步技术方案分析了运输系统总体设计与控制技术中的科学挑战与研究方法,并给出了初步结果分析,可为未来远程极速运输系统设计提供参考。

一种面向运载火箭电气系统的模块化分级供配电体制

针对运载火箭电气系统供电电缆规模偏大、拓扑复杂、易引发跨级供电潜通路等问题,提出了一种电气系统模块化分级供配电方案。将运载火箭各级分别规划为一个独立的供配电单元,供配电单元内采用通用化设计,实现对内部负载的一体化供电;供配电单元间、电气系统箭地间、供电母线间电气隔离,以避免供配电单元间的电气耦合,彻底消除级间潜通路,降低设计难度,最终使得运载火箭电气系统供配电体制具备系统层级模块化特征和供配电单元即插即用能力,为未来电气系统供配电架构的标准化设计和运载火箭分级测试提供技术基础。

一种虚拟试验架构下的舱段结构建模与承载破坏模拟技术

在一种面向产品的飞行器结构强度虚拟试验架构下,发展经典材料弹塑性损伤本构和通用有限元技术,并基于Abaqus内置Python软件开发虚拟试验插件工具,创建飞行器舱段结构人机交互虚拟试验平台,形成了对舱段结构承载破坏过程进行高逼真度模拟的虚拟试验能力。采取逐级验模的精度确认技术,开展从试棒到舱段壳体的虚/实试验对比,验证舱段结构虚拟试验的可行性,结果显示:虚拟试验能对舱段结构的承载破坏情况做高逼真度的模拟,对极限承载能力的预示精度达到4.6%。

猎鹰-9火箭高频次发射能力分析及启示

近年来在低轨星座建设、空间资源开发等任务的推动下,运载火箭年度发射数量快速增加,高频次发射能力已成为一个国家太空产业和能力的核心支柱。美国SpaceX公司猎鹰-9火箭是当前高频次发射能力最强的运载火箭,本文通过剖析火箭的技术进步、以及“卫星-火箭-发射场”全链路的协同和优化,揭示了猎鹰-9火箭年度近百发发射能力的关键要素。结合我国未来运载火箭的发展,提出加强火箭技术创新、以及“卫星-火箭-发射场”整体优化的发展思路,以期全面提升发射效率,实现火箭高频次发射。

基于差异化管控的运载火箭型号科研管理实践

近年来,中国运载火箭技术研究院宇航领域多型号并举、研制批产并重,不同类型、阶段型号的研制需求和主要矛盾各不相同,如何科学有效组织和配置人、财、物等资源,在既定的时间内,以尽可能低的成本,尽可能快地完成各型号工程目标,需要在遵循型号系统工程研制规律基础上,运用精细化管理思路,针对性实施差异化管控方法,提高不同类型任务研制管理的质量、效率和效益,促进宇航领域科研生产管理模式优化转型,适应新时期宇航领域新形势新要求。

“火神/半人马座”火箭研制历程分析

“火神/半人马座”(Vulcan Centaur,简称“火神”)火箭是美国联合发射联盟公司(ULA)2015年正式宣布研制的两级大型运载火箭,主要是为满足美国国家安全航天发射需求,接替该公司现役宇宙神-5(Atlas-5)系列和德尔他-4H(Delta-4H)等主力运载火箭,发射美国天军(USSF)和情报机构卫星。该火箭也参与商业发射市场竞争,已获得38次亚马逊公司(Amazon)“柯伊伯”(Kuiper)宽带卫星星座发射任务订单。2024年1月8日,“火神”火箭执行首飞任务,将有效载荷“游隼”(Peregrine)月球着陆器送入预定轨道并分离,后者因自身推进系统故障返回地球,最终在大气层烧毁。

“火神”火箭首飞任务分析

为应对商业竞争和地缘政治的双重压力,美国联合发射联盟公司(ULA)自2014年开始研制“火神”火箭,该火箭原计划在2019年首飞,但因发动机研制困难及上面级试验故障等一再推迟,直至2024年1月8日才实现首飞。本文对“火神”火箭首飞情况进行了梳理,对其研制背景、总体方案、研制及发射设施进行了总结,并对火箭研制特点和后续发展进行了分析。

2023年国外重复使用运载火箭发展综述

1概述近年来,美国太空探索技术公司(SpaceX)的“猎鹰”(Falcon)系列火箭凭借复用能力,实现了高频次发射,极大提升了进入空间能力,支撑了“星链”(Starlink)低轨巨型星座的部署和应用,同时还有效降低了发射成本。当前,SpaceX公司正在发展完全重复使用的“星舰”(Starship)系统,百吨级的低成本、高频次发射能力或将进一步推动航天产业的颠覆性变革。

通用芯级捆绑构型运载火箭方案分析与思考

通用芯级构型火箭充分利用模块化、组合化、系列化的设计理念,通过并联捆绑多个通用芯级提升火箭运载能力,规避大直径箭体结构研制难题,同时降低研制成本、加快研制进度。本文对世界主要通用芯级运载火箭的方案和参数进行了梳理和总结,并从总体方案、级间比、模块推重比、长细比、发动机节流和推进剂交叉输送等方面进行了对比和计算分析,总结出运载火箭采用通用芯级构型设计的新特征和规律,以及发动机节流和推进剂交叉输送对火箭性能的提升效果,最后形成了对通用芯级火箭方案设计的思考,力求为该类火箭总体方案论证和优化设计提供参考。

运载火箭自适应增广控制参数设计及稳定性裕度分析

针对运载火箭主动飞行段的强鲁棒姿态控制系统设计要求,提出自适应增广控制器(adaptive augmenting controller,AAC)的参数设计方法以及稳定性裕度分析方法。首先,针对传统运载火箭建立了小扰动线性化方程,推导了传递函数,并基于特征点参数设计了比例微分(proportional-derivative,PD)控制器及校正网络。然后,开展了AAC设计,给出调节参数的具体设计方法和准则。为了评估加入AAC之后整个控制系统的稳定性,基于正弦分析法推导了AAC的正弦响应模型,从而可评估系统的稳定性。最后,在多种干扰条件下完成了六自由度(six degree of freedom,6-DOF)的仿真分析,证明了AAC的有效性,同时也获得了AAC+PD控制系统的幅值裕度和相位裕度。仿真结果表明,该方法能够反映实际系统的稳定性,具有一定的工程指导意义。

煤油末段密闭加注管路抽泄流程优化分析

为了解决煤油末段密闭加注管路抽泄流程可能出现的加注精度及煤油品质的问题,通过分析管路内煤油变化的影响因素,讨论了压力和温度的变化引起的管路形变,构建了温度、管径、形变压力的热力学计算模型,试验验证了模型计算的准确性,根据模型数值计算结果,提出了抽泄流程优化措施,确保了加注管路抽泄流程的可靠性。

超重-星舰运输系统机构技术分析

超重-星舰(Super Heavy-Starship)运输系统是美国太空探索公司(Space Exploration Technologies Corp.,SpaceX)提出的两级完全可重复使用重型运载火箭。超重-星舰运输系统广泛应用机构技术以实现火箭的连接分离、气动控制、着陆缓冲等功能,同时采用高压冷气等取代传统火工品作为动力源。针对超重-星舰运输系统的着陆缓冲机构、栅格舵机构、阻力舵机构、级间分离机构、气驱机构,阐述机构组成、工作原理、设计思路、优缺点,总结SpaceX公司机构技术的创新点,分析中国运载火箭机构技术在研制及应用方面的差距和不足,并提出相应的发展建议。

一种宇航轴向电涡流阻尼器的研究设计与试验

相比于传统阻尼器,电涡流阻尼器具有结构简单、寿命长、非接触、无摩擦、无磨损等优点[1],在振动控制领域方面未来具有很好的应用前景。在电涡流阻尼器设计时,最关键的阻尼器特性需要在永磁体厚度、导体材料及导体长度等体积和重量约束条件下不断优化迭代获得的最优结果才有意义。本文针对某宇航领域使用的阻尼器任务需求,采用Ansoft软件二维瞬态磁场分析和结构约束条件,提出一种空间结构紧凑的双弹簧片结构电涡流阻尼器方案,并重点分析对永磁体厚度、导体材料、导体长度以及铜磁间隙等相关参数与阻尼系数之间的变化规律,获得阻尼系数最优的阻尼器,同时进行了弹簧片形状和刚度设计。最后,根据相关理论分析和设计后采用半功率带宽法获得阻尼器的阻尼比、一阶固有频率和阻尼系数,并通过了刚度试验和寿命试验,最终符合任务要求。

谷神星一号运载火箭的时变模态参数辨识

针对运载火箭这一大型复杂系统,单纯依靠机理分析难以建立能够精确描述其时变特征的动力学模型,借助模态辨识技术获取其在飞行状态下的时变动力学特性尤为必要。面向运载火箭的飞行模态辨识需求,发展基于时变自回归滑动平均模型的仅输出递推辨识方法,引入指数加权遗忘机制进行时变特性跟踪,能够在激励未知的情况下仅基于响应数据准确快速辨识运载火箭的时变模态。以谷神星一号运载火箭为例,开展飞行遥测数据的快速处理,准确辨识发射准备阶段和飞行阶段的关键低阶时变模态,辨识结果与有限元分析结果的变化规律相互吻合,验证了所提时变模态仅输出递推辨识方法是有效可行的,服务了运载火箭有限元模型修正和姿控系统设计的实际工程需求。

运载火箭测量系统综合化设计与实现

针对运载火箭传统测量系统设备功能单一、工作体制固化、体系架构封闭等问题,通过对系统技术特点、技术迭代过程和局限性的分析,基于运载火箭平台约束条件,提出一种适合当前应用的基于综合电子的开放式系统架构;其次,完成了基于该架构的综合射频终端研制,实现了小型化、轻质化、低功耗、可灵活扩展的综合化测量系统。所设计系统能够满足总体应用需求,在航天领域具有广泛的应用前景。

海上垂直回收运载火箭发展现状与关键技术分析

运载火箭的可回收重复使用不但可以降低发射成本,而且能提高发射密度,满足高密度发射需求,是人类向太空探索必须发展的技术。垂直返回海上回收方式具备高精度、高稳定落点,减小了对落区人民的安全威胁,同时也减小了火箭运载能力不足的影响。随着“猎鹰9”火箭子级成功实现了海上垂直回收并多次重复使用,引发了各国研究者对火箭子级海上垂直回收技术的重视与探索。首先,阐述了海上垂直回收运载火箭的优势与特点,其次,梳理了海上垂直回收运载火箭的发展现状,再次,根据海上回收火箭的几个阶段分析了其过程中包含的关键技术;最后,总结了海上垂直回收运载火箭的发展趋势。

空间飞行器展开与驱动机构研究进展

空间飞行器展开与驱动机构是空间飞行器机构领域的一个重要组成部分。随着我国航天技术的发展,该项技术有了长足进步,对其设计方法和具体工程问题的研究也日渐深入。本文概述了空间飞行器机构的分类与构成,对展开与驱动机构的国内外研究概况进行了分析。结合工程应用,提出了在系统任务分析与设计中的力矩(力)裕度、精度分配、机构非线性、阻尼控制、热匹配、空间润滑、可靠性分析与试验七个典型工程问题。对这些问题逐一分析了其性质、作用及其对系统的影响,探讨了其研究内容和研究方向。展望了我国空间飞行器展开与驱动机构的发展前景。

重复使用航天器发展趋势及若干思考

重复使用航天器具有快速、低成本的特性,是自由进出空间的重要技术途径之一。自从20世纪50年代重复使用航天器的概念被提出以来,历经70多年,重复使用航天器的研制取得了很大的进步,积累了丰富的经验和教训。基于国内外发展情况,梳理了重复使用航天器的技术路线,深入分析了其发展趋势,从设计、制造、试验、运行维护4个方面探讨了重复使用航天器的特点和难点,并提出了未来重复使用航天器发展的若干思考与建议。

再入飞行器多层隔热结构优化分析

针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂传热问题,采用有限元方法对可重复使用飞行器多层隔热结构(MLI)进行参数化求解,预测内部结构瞬态温度响应,对具4层反射屏的多层隔热结构进行优化设计,分析影响隔热性能的多个因素(如反射屏的分布,屏间纤维厚度和最上层反射屏与热边界距离)对隔热性能的影响规律,为多层隔热结构的优化设计提供相关参考。