亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。

2022年国外重复使用运载器发展综述

重复使用是航天运输系统的未来发展方向,是实现安全、可靠、快速、自由、低成本进出空间的有效途径。当前,垂直起降、重复使用方案渐趋成熟,“猎鹰”9火箭已经实现常态化的回收复用,“超重-星舰”或将借此实现全箭复用,美俄欧日等国家和地区的主力火箭也都瞄准采用垂直起降方案实现重复使用。在航天飞机实现升力式火箭动力重复使用方案突破和相关技术基础的积淀后,近年来轨道级和亚轨道级重复使用运载器持续取得进展,2022年X-37B和“追梦者”等轨道飞行器均有所突破,美国商业公司也在推进亚轨道级的研制。

中国亚轨道运载器重复使用飞行试验取得圆满成功

据航天一院官方消息,2022年8月26日,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。IT之家了解到,飞行试验采用的运载器经健康检测维护后,在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞,按照设定程序完成亚轨道飞行,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,成功实现我国亚轨道运载器的首次重复使用飞行。

亚轨道可重复使用飞行器轨迹/总体参数一体化优化方法

针对亚轨道可重复使用运载器(SRLV)的应用需求,在将卫星投送到预定轨道同时确保SRLV安全返回的前提下,对基于记忆原理的轨迹/总体参数一体化优化方法进行了研究。记忆优化算法是一种具有全局收敛性的随机搜索方法,每次搜索的试探解优劣状态由记忆元来存储。利用记忆原理的记忆增强和遗忘规律来衡量优化搜索过程中试探解的状态,并以燃料最省作为优化指标。同时采用三种不同的搜索策略,实现对试探解的随机搜索,避免陷入局部极小问题,并以此来提高搜索速度。仿真表明:卫星入轨速度偏差小于2 m/s,高度偏差小于10 m,轨道倾角偏差小于0.000 1°。SRLV最终与着陆场的位置偏差小于100 m,速度偏差小于5 m/s。相较于传统的轨迹优化方法,新方法适用于复杂的轨迹/参数一体化优化问题,搜索速度快,求解精度高,有利于算法在工程实际中的应用与推广。

我国亚轨道重复使用运载器飞行演示验证项目首飞取得圆满成功

2021年7月16日,由中国航天科技集团一院研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器在酒泉卫星发射中心准时点火起飞,按照设定程序完成飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,首飞任务取得圆满成功。7月17日,国家国防科技工业局新闻宣传中心官方抖音账号"中国军工"发布视频。

欧洲可重复使用运载器现行方案概况

欧洲目前设想的可复用运载器方案主要有三种(1)可复用第一级方案在高超音速低马赫数下与一次性使用主芯级分离,垂直起飞,水平降落;(2)亚轨道方案,如“跳虫”方案,可水平起降,在大气层外发射一次性使用的上面级;(3)两级入轨方案,两级均可重复使用,垂直发射,水平降落。

“新谢泼德”亚轨道运载器载人首飞成功

美国东部时间2021年7月20日09:12,蓝色起源公司(Blue Origin)新谢泼德(New Shepard)亚轨道运载器从西德克萨斯发射场起飞,进行首次载人飞行试验。其火箭级推力模块在起飞7.5min后着陆,其乘员舱飞行至最高点107km后返回地球。在起飞10min15s后,“新谢泼德”借助降落伞和气囊成功实现软着陆。通过此次载人飞行试验,蓝色起源公司进一步验证了“新谢泼德”的技术安全性,在亚轨道太空商业旅游领域取得重要进展。

印度披露可重复使用运载火箭

印度空间研究组织（ISRO）已披露了其2009年可重复使用运载火箭验证器亚轨道飞行的工作进展详情。 该飞行器类似于X-37，质量为1400kg，长6．5m，翼展为3．6m，由装有9000kg推进剂的11．5m长的固体火箭助推器发射。可飞行67km。该飞行器将坠人印度洋中。为了给该任务建模，ISRO已研发了六自由度仿真软件，以便涵盖所有环境条件和飞行动态。

RLV亚轨道再入段制导技术

重复使用运载器亚轨道再入段一般采用航天飞机应急返回发射场的飞行方案,分三个阶段:迎角恢复段、过载保持段和过渡段。该方案的难点是抑制动压,缺点是只有开环制导。分析了动压变化的影响因素,制订了抑制下沉率的制导策略,并给出迎角和过载指令的设计方法。其次分析初始状态偏差和气动升力/阻力系数偏差对动压的影响,提出了根据初始高度调整制导指令和根据下沉率进行过载指令补偿的闭环制导方案。仿真表明设计的轨迹能够满足飞行约束,闭环制导能有效减小最大动压偏差。

X-37B轨道试验飞行器进场着陆技术研究

2011年航天飞机退役后,世界上唯一能够执行轨道操作的可重复使用运载器便只有美国空军秘密研制的X-37B轨道试验飞行器,而研制X-37B必须率先解决自主进场与着陆技术,美国空军前期执行的X-40A项目和NASA开展的X-37进场着陆飞行器(ALTV)研究为X-37B的轨道飞行试验奠定了技术基础。本文介绍了X-40A和X-37 ALTV开展的相关试验研究,以及取得的成果和经验。

印成功进行可复用运载器试飞

5月23日，印度空间研究组织（1SRO）成功地进行了其可复用运载器项目下的首次亚轨道试飞。该项目的最终目标是研制一种两级人轨的有翼可重复使用运载器。

德国宇航院研究亚轨道远程客机

德国宇航研究院航天运载系统分析小组正在开展一项概念和技术研究，对象是可乘5位乘客的一种可重复使用两级入轨远程飞行火箭。该院研究人员认为，亚轨道旅游用的运载系统可用于洲际运输市场。他们研究的概念飞行器称为“太空航班”，

美研制高速亚轨道火箭飞机

美国洛一马、诺一格等4家大公司，开始研制可重复使用的高速亚轨道火箭飞机。预计，该型飞机将在2018年制成。这种亚轨道火箭飞机，需使用混合运载火箭，就是由一个可多次使用的第一级和一次性使用的上级火箭组成。据称，这样可使航天器的发射系统能够在数日或数小时之内重复使用，所以是经济实惠的。

美宇航公司规划发展可复用运载器

在准备年内晚些时候开始试飞其“山猫”亚轨道航天飞机的同时，美国XCOR宇航公司已完成一种八轨型可复用运载器的初步方案设计。公司首席执行官格里森说，尽管尚需开展更详细的设计，该公司已在过去几个月完成了方案设计。他说，按设计方案，这种运载器将使用一种现有的飞机和两个可重复使用的火箭级。上面级很可能将使用一种液氢发动机，而该公司最近刚开始研究相关技术。因液氢低温燃料的处理很复杂，XCOR宇航公司以往部避免采用这种燃料，而选用了脯由等其他燃料。但格里森说，对于八轨型运载器来说，液氢的性能优势胜过了对其处理复杂性的担忧。他给出的有关该运载器方案或研制时间表的其他细节很少，但称他们打算把每运送一个人的价格定为100万美元，称这样的价位能带来足够的商业兴趣，使该项目具有经济上的可行性。

印成功进行可复用运载器试飞

印度空间研究组织（ISRO）5月23日成功地进行了其可复用运载器项目下的首次亚轨道试飞。该项目的最终目标是研制一种两级入轨的有翼可重复使用运载器。ISRO为此制订了包括4项飞行的试飞程序,以期逐步考核该运载器的各项飞行特性以及最终要使用的超音速燃烧冲压喷气发动机技术。这4项试飞分别称为＂高超音速飞行实验＂（HEX）、

面对称重复使用运载器尾部喷流风洞试验

研究面对称重复使用运载器尾部发动机的喷流干扰特性对于飞行器设计具有重要意义。在中国航天空气动力技术研究院的FD-12风洞中开展了亚/跨声速飞行条件下的喷流试验。试验使用常温压缩空气作为喷流介质模拟发动机的高温燃气,采用的相似参数包括:飞行器的几何外形尺寸、飞行器的飞行马赫数、发动机喷管的出口马赫数、发动机喷流与自由来流静压比。试验结果表明了发动机喷流对全飞行器气动特性和体襟翼铰链力矩的影响随来流马赫数、喷管、体襟翼偏角等因素的变化规律。

RLV再入标准轨道制导与轨道预测制导方法比较分析

提出只更新飞行剖面参数的航程更新方法及相应的RLV再入标准轨道制导规律;结合轨道在线生成与跟踪技术,采用Runge-Kutta-Fehlberg自适应变步长轨道快速预报方法,研究了RLV再入轨道预测制导。进一步对两种制导方法进行了比较分析研究,研究认为标准轨道制导与轨道预测制导都是可行的RLV再入制导方案,其有机结合是未来可重复使用跨大气层飞行器再入制导的发展趋势。

基于改进标称轨道法的再入轨迹设计

对航天飞机标准轨道法进行改进,在更新部分D-V剖面、更新整个D-V剖面的基础上,提出第3种剖面更新的方法,以下简称修正标准飞行剖面参数法。该方法在考虑当前飞行时刻的瞬间,平移整个标准飞行剖面,以满足航程要求;采用轨道跟踪控制技术跟踪标准飞行剖面,使得实际航程逼近标准航程;该方法不更新D-V剖面,降低了算法的复杂性,减少计算量并具有较高的制导精度。基于该方法对NASA马歇尔空间飞行中心研究的空天飞行器模型进行再入轨迹设计,仿真结果表明,该方法获得的轨迹不仅能满足过载、热流和动压等过程约束及终端约束,并且轨迹光滑,无跳跃,具备一定的工程应用价值。