可重复使用航天运载器及其关键技术

可重复使用航天运载器是目前航天运载器发展的一个研究热点。本文首先简要介绍了可重复使用航天运载器的发展概况,然后将部分可重复使用运载器按照垂直起飞水平着陆、垂直起降两类,将完全可重复使用运载器按照组合动力重复使用运载器、升力式火箭动力可重复使用运载器两类,分别从结构设计、动力设计、防热设计和飞行控制设计等方面分析了其关键技术,最后对未来可重复使用航天运载器的发展提出了设想。

中国研制可重复使用航天运载器 预计2020年首飞

像火箭一样起飞,如飞机一样降落廉价、便捷地往返天地,一直是航天技术发展的目标。近年大出风头的美国太空探索技术公司（Space X）,正是凭借猎鹰九号火箭的回收和重复使用,在降低航天成本方面迈出了跨越性的一步。科技日报记者日前从中国航天科技集团公司一院获悉,该院正联合国内优势机构共同合作研制可重复使用运载器,并计划于2020年左右首飞。

我国可重复使用航天运载器预计2020年首飞

廉价、便捷地往返天地，一直是航天技术发展的目标。，近年大出风头的美国太空探索技术公司（SpaceX），正是凭借猎鹰九号火箭的回收和重复使用，在降低航天成本方面迈出了跨越性的一步。随着我国航天抗术的不断发展，中国航天科技集团公司一院也正联合国内优势机构共同合作研制可重复使用运载器，并计划于2020年左右首飞、、其最终目标不仅能将单位有效载荷的运输成本降低至现有一次性运载火箭的十分之一，还能大幅缩短发射准备时间，有望像飞机一样实现航班化的天地往返运输、

中国研制可重复使用航天运载器 预计2020年首飞

中国航天科技集团公司日前透露，我国可重复使用航天运载器研制正处于攻关阶段，已开展可重复使用运载器总体技术等关键技术的攻关研究，预计在2020年左右完成首飞。

液氧甲烷重复使用运载器关键技术发展研究

基于液氧甲烷发动机的重复使用运载器在重复使用和使用维护方面具有优良的性能,成本更低。世界各国正在加速开展相关研究及工程研制,典型代表包括火神运载火箭、朱雀二号运载火箭等。对基于液氧甲烷发动机的重复使用运载器的技术特点、面临的技术挑战进行分析,并基于此提出后续重点研究内容,包括重复使用总体设计与评估技术、上升再入返回着陆一体化制导导航与控制技术、大尺寸轻质结构与制造技术、重复使用液氧甲烷发动机技术、健康管理预测与重复使用运行维护技术、重复使用热防护技术等,为后续开展液氧甲烷重复使用运载器工程研制奠定基础。

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。

美军重复使用运载火箭评估方法浅析

近年来,猎鹰-9(Falcon-9)和“猎鹰重型”(Falcon Heavy)火箭的一子级垂直起降复用技术渐趋成熟,成为美国防部(DoD)“国家安全航天发射”(NSSL)计划下的主力型号。NSSL是美重要军事载荷可靠进入空间的基本保障,为识别和降低发射任务风险,美军以一次性使用火箭为基础,建立了从设计到首飞再到重复使用全流程的火箭技术要求和规范,即重复使用运载火箭评估方法,确保发射活动的可靠性。重复使用运载火箭评估包括以“非周期性设计验证”(NRDV)为核心的任务保证,以及针对结构系统、复合材料、推进系统和电气系统等各分系统的可靠性检验。本文通过梳理NSSL任务保证要求,分析其重复使用运载火箭评估方法,以提供参考借鉴。

可重复使用航天器回收着陆技术综述

可重复使用航天器是航天技术领域的重要发展方向,包括可重复使用的飞船、卫星、空间探测器、运载火箭、空天飞行器等。与一次性使用航天器相比,可重复使用航天器的突出优势主要在于通过多次使用降低单次任务成本,通过维护保障从而缩短研制周期并提高任务的灵活性等。

重复使用运载器发动机喷流热环境

面对称重复使用运载器出于俯仰配平控制需求通常会在力臂最长的尾端面布置体襟翼,飞行过程中发动机喷流对体襟翼产生强烈局部干扰加热,底部发动机喷流体襟翼干扰加热精确预示是重复使用运载器热防护设计的关键问题。首先开展全尺度局部燃气流风洞测热试验,针对高温燃气与体襟翼直接干扰、二次干扰量值及规律进行了分析;进一步开展多组分气体模型燃气喷流干扰数值模拟研究,通过燃气流风洞试验数据对数值仿真的正确性进行了验证,分析了典型飞行工况喷流干扰热特性及变化规律;通过研究详细分析了喷流干扰热流与流场压力特性间关联性关系,在传统喷流直接干扰热流与压力比拟关系基础上进一步获得了二次干扰主控因素与干扰关系,且通过相关性分析发现二次干扰区热流相对同等工况直接干扰压力相关性强度增幅达84%以上。预测分析方法对重复使用运载器底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。

可重复使用运载器舵轴裂纹扩展寿命分析

针对可重复使用运载器舵轴中应用的30CrMnSiA及0Cr17Ni4Cu4Nb两种典型材料,开展了裂纹扩展速率测试,确定了其裂纹扩展参数;基于扩展有限元方法,建立了30CrMnSiA及0Cr17Ni4Cu4Nb两种材料平板结构的裂纹扩展寿命预测模型,预测结果与试验结果吻合良好。建立了含初始1mm裂纹的重复使用运载器舵轴裂纹扩展模型,确定了其裂纹扩展寿命,分析模型和结果可用于指导该类结构的损伤容限设计。

有约束重复使用运载器障碍变换预设时间控制

针对姿态角受约束的重复使用运载器(RLV)再入段姿态跟踪控制问题,提出了一种基于障碍变换的预设时间控制方法。首先建立了面向控制系统设计的RLV动力学模型,设计障碍函数对动力学模型中受约束的状态量进行变换,得到等价无约束变量及控制模型;然后针对变换后控制模型,基于反步法思想设计了预设时间控制律,采用指令滤波器避免微分膨胀问题,并引入RBF网络对再入过程中RLV所受不确定扰动进行了补偿。Lyapunov方法证明了姿态跟踪误差可在预设时间内收敛至原点附近邻域,且姿态角满足时变约束。数值仿真验证了所提方法可保证姿态角满足约束,实现姿态跟踪误差预设时间收敛,且具有更佳的跟踪控制性能。

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。

航天运载器重复使用液体动力若干问题探讨

重复使用是大幅度降低航天运输成本的主要途径,动力系统的重复使用是关键,也是首先要解决的问题。目前重复使用运载器动力装置发展的主要途径是研制重复使用、低成本的液体火箭发动机和开发以水平起降一级动力装置为目标的组合循环发动机。液体火箭发动机的重复使用应革新设计理念,从设计方法、推进剂选型、材料选取及能力的适度运用、生产工艺、维修等方面综合考虑。基于组合循环动力的水平起降飞行器是降低运输成本的重要途径,也是重复使用运载器发展的重要方向,应借鉴航空发动机等动力重复使用设计理念,在方案研究和关键技术研究阶段就考虑重复使用问题。

欧洲航天局可重复使用运载器计划初探

30多年以前，欧洲开始围绕航天发射建立合作组织，一批具有共识的欧洲国家共同组建了欧洲航天局。在运载火箭发展方面，欧洲航天局代表着欧洲航天运输领域的最高水平，其阿里安－5（Ariane－5）运载火箭具有强大的航天运输能力，而“织女星”（VEGA）运载火箭也可以完成一些运载规模较小、经济效益更高的发射任务。

新一代重复使用航天运载器

2003年2月1日,美国哥伦比亚号航天飞机完成太空飞行任务后,返回时爆炸解体,7名航天员全部遇难,这是人类航天史上又一严重地灾难。人们在对遇难航天员深深惋惜怀念的同时,也在关注着新一代(第二代)可重复使用航天运载器如何发展,本刊特约杨勇、王小军两位博士就这方面的情况给读者作一介绍。

重复使用运载器发展趋势及特点

自从上个世纪五六十年代人们提出重复使用运载器的概念 ,到现在的四五十年里 ,重复使用运载器的发展取得了很大的成就 ,同时也历经了不少挫折与失败。由于重复使用运载器具有极高的军事和民用价值 ,因此越来越受到世界各国的高度重视 ,当前又掀起了一股新的重复使用运载器研究热潮。本文综合分析了世界各国重复使用运载器的发展趋势、特点及从中得到的一些经验教训 ,值得我国发展重复使用运载器时借鉴和参考。

燃料贮箱结构可重复使用性能评价与关键技术探讨

重复使用运载火箭作为运载火箭更新换代的核心特征,其技术发展的必然趋势无疑凸显了国家工业水平的高度集成,同时也成为实现航天强国地位的关键标志之一。鉴于国际先进水平的对标需求,尤其是美国Falcon9火箭以及星舰垂直起降等成功案例,我国迫切需要加快可重复使用运载火箭的研制步伐。本文围绕火箭燃料贮箱可重复使用关键技术进行了深入探讨,对于多次服役焊接结构制造过程的控制、原位表征技术的研发以及实时评价方法与体系的建立至关重要。在断裂力学理论的坚实支撑下,借助模拟服役典型载荷与足尺寸疲劳试验,对贮箱关键承载位置焊缝的疲劳损伤过程及机理深入探究,制定可重复使用焊接结构性能评价流程,进而搭建铝合金贮箱焊接结构的服役寿命预测模型,这不仅有助于量化支撑重复使用焊接结构耐久性的分析评价,更为研制新一代可重复使用近地载人火箭提供了强有力的技术支持。

基于全寿命周期费用分析的可重复使用运载器级数选择

建立了可重复使用运载器全寿命周期费用模型 ,并利用该费用模型分析了不同级数的可重复使用运载器方案的全寿命周期费用 ,对全寿命周期费用的各部分组成比例及其随级数的变化规律进行了分析。研究结果表明两级入轨的可重复使用运载器方案全寿命周期费用最低 。

中国航天运载器舱段铆接技术发展现状及发展趋势研究

中国航天运载器舱段铆接技术经过近十几年的飞速发展,现与国外先进航空、航天舱段铆接技术的差距不断缩小,但一些关键技术指标如铆接技术的工艺性、系统性、稳定性、柔性方面仍存在着较大差距。本文通过对中国航天运载器舱段铆接技术的发展现状及发展趋势的研究,对比了国内、外航天技术的差距及未来发展的技术路线,为中国航天舱段铆接行业的发展提供有益借鉴。

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。