国外水平起降临近空间高速飞机动力的发展

临近空间高速飞机的飞行包线宽广,常规动力不能满足需求,必须采用组合动力。涡轮基组合循环(TBCC)发动机能实现高超声速飞行器水平起降,是临近空间高超声速飞机的最佳动力。首先从TBCC技术研发路线入手,总结出TBCC主要技术研发领域,如高速涡轮基技术、冲压/超燃冲压发动机技术、飞发一体化技术和热防护技术;其次结合TBCC典型研究计划(RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72),归纳出每个计划的关键技术及进展,并对各方案的未来发展应用进行阐述;最后对TBCC的发展趋势和技术特点进行了总结。

水平起降Ma4高速飞机用涡轮冲压组合发动机研制关键技术难点解析及对策研究

水平起降Ma4高速飞机是目前研究的热点,涡轮冲压组合发动机是其可行动力形式之一,但历经50多年发展,Ma3.5以上涡轮冲压组合动力目前仍然停留在地面试验阶段,为了探明限制涡轮冲压组合发动机从技术研究转入工程研制的关键因素,本文设计了一个配装两台涡轮-亚燃冲压组合发动机、最高飞行速度为Ma4左右的水平起降高速飞机模型,设定了飞行任务剖面,计算出了整个飞行过程中飞机对发动机的推力需求,并对比现有航空发动机技术能力,分析出了阻碍涡轮冲压组合发动机向工程应用迈进的三大核心要素:飞机高空高速爬升阶段发动机存在一个巨大的"推力缺口",现有发动机推重比不够高导致飞机有效载荷和航程受到极大限制,发动机长时间高Ma数飞行导致可靠性和寿命低。据此针对性提出了技术研究措施建议。

涡轮基组合动力水平起降高超声速战略打击模式探讨

分析了高超声速飞行器的优势,阐述了多种高超声速全球/远程打击飞行模式的特点。指出涡轮基组合循环(TBCC)动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式,在平台机动性、发射隐蔽性、突防概率等方面都具有明显优势,且可有效牵引TBCC发动机、水平起降高超声速发射平台、小型机载战略武器技术分阶段渐进发展,在未来能量中心战中将发挥重要作用。

组合循环动力在水平起降天地往返飞行器上的应用

水平起降天地往返飞行器是未来空间快速响应和低成本航天运输的重要方式,组合循环动力具备全包线飞行能力,在大气层内利用空气作为氧化剂,可大大提升发动机的比冲,是未来水平起降天地往返飞行器的首选动力系统。梳理了国内外组合动力天地往返飞行器的发展历史和现状,对比未来航天运输系统中不同起降方式的优缺点,明确了水平起降的优势及其对飞行器和发动机的要求,通过组合动力和火箭动力的总体性能分析和对比,进一步确认组合循环动力在水平起降天地往返飞行器中的应用优势。

美国两级入轨水平起降可重复使用空天运载器发展综述

文中系统阐述了美国可重复使用空天运载器的发展历程,详细分析了美国开展可重复使用空天运载器(RLV)的研究情况,在系统总结美国可重复使用空天运载器发展情况的基础上,给出了可重复使用空天运载器应具有可重复使用能力、水平起飞和降落能力、采用吸气式组合动力等基本判断,为进一步探讨我国可重复使用空天运载器的整体发展思路提供参考。

星舰-超重体系与开发的范式变革探究

为了梳理和分析星舰-超重体系与开发的模式,及其相比以往航天运输体系的变革,本文首先回顾星舰-超重的宏观演化与微观验证历程,而后评估基于星舰-超重的太空新物流体系优势与挑战,最后探讨资本驱动下航天运输系统价值网升维与开发范式变革的内在逻辑。研究发现:星舰-超重的开发理念是“创新引领,市场运作;宏观演化,微观验证”,本质是资本内在增值需求推动新技术、新平台的快速集成和应用。

一种未来大型天地往返运输系统平台气动方案

针对未来低运行成本、可直接水平起降、重复使用的大型天地往返运输系统平台飞行器研制所需重点解决的全速域气动力性能需求与气动热防护匹配等难题,分析了典型航天飞机方案所存在的能量运行缺陷等主要问题及可能的改善方案。基于放宽气动热防护设计、涡轮/冲压/火箭发动机三动力组合、嵌套式旋转机翼全速域变体、在爬升阶段将飞行动能转化为高度势能以及再入阶段"跳跃式"盘旋减速飞行轨迹控制等设计思想,从能量损失速率控制和回收利用等角度出发,开展了一种新型大型天地往返运输系统平台气动布局概念设计研究。全速域气动力/热性能工程估算以及内/外流整体气动效能初步分析结果表明,该方案可有效满足整个飞行包线内的升重平衡需求,相比航天飞机方案具有显著的整体气动效能优势,值得进一步开展深入研究。

重复使用运载器回收技术现状与挑战

讨论了重复使用运载器的不同回收方式,分析了不同回收方式的特点,阐述了技术挑战及发展趋势。具体为:针对不同回收方式,先后讨论了垂直起降、伞降回收和水平起降这3种模式的关键技术;在垂直起降方面,重点分析了发动机节流、多次起动和着陆缓冲机构这3类关键技术;在伞降回收方面,重点介绍了基于翼伞的火箭残骸落区控制和空中回收技术。对于基于火箭动力的水平起降,从复杂气动力热环境下相关机理研究、热防护、着陆机构、制导与控制共5个方面对存在的难题进行了分析;最后对3种模式的特点进行了总结和对比分析。

考虑飞行品质约束的空天飞行器控制舵面设计及优化

针对放宽静稳定度条件下水平起降空天飞行器控制舵面尺寸设计难度大的问题,提出了一种基于代理模型的控制舵面—控制参数一体化设计方法。首先,基于鸽群算法构建了包含结构参数的空天飞行器气动特性代理模型,获得了气动特性参数随飞行条件、控制舵面尺寸及质心位置的变化关系,为控制舵面一体化设计提供输入。然后,设计了基于C*结构的空天飞行器纵向参考模型跟踪控制律,并将考虑飞行品质约束的空天飞行器控制舵面一体化设计问题转化成多约束条件下的多目标优化问题。并采用非光滑优化算法计算得到了同时满足飞行品质、舵面饱和、舵面偏转速率等约束的最小控制舵面及对应的控制参数。仿真结果表明,该方法能够在满足性能指标约束的前提下有效减小控制舵面的尺寸,具有较强的工程应用价值。

TBCC发动机控制技术的发展

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是涡轮发动机和冲压发动机有机结合形成的组合循环动力系统,具有水平起降、宽速域和宽空域工作的优点。然而,TBCC发动机控制比较复杂,特别是TBCC发动机在模态转换控制时,具有建模难、多变量、强非线性、非光滑多模态、强耦合和强不确定性等固有特性,给TBCC发动机控制律设计带来了巨大的挑战。

宽域涡轮发动机技术发展

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是水平起降高超声速飞机理想的动力装置,发展宽域涡轮发动机对TBCC发动机研制极其重要。目前,国外已经开展了射流预冷、强预冷宽域涡轮发动机,以及变循环涡扇、单轴涡喷宽域涡轮发动机技术研究,通过分析宽域涡轮发动机的技术发展,可为发动机技术路线选择提供更多的参考。水平起降高超声速飞机具有常规机场水平起降、临近空间高超声速巡航、可随时终止和召回、重复使用等特征。

面向控制的空天飞行器低速段动力学建模及性能折衷分析（英文）

目的:水平起降空天飞行器需兼顾高速巡航和低速起降性能。本文旨在构建一种面向控制的空天飞行器低速段动力学建模与迭代分析流程,探究质心位置对空天飞行器稳定性及控制性能的影响,并在保证空天飞行器水平起降能力的约束下,迭代获得合理的飞行器质心位置。创新点:1.结合几何外形参数化方法、势流理论和0维混合排气涡扇发动机建模方法实现空天飞行器低速段气动/推进性能数据的快速获取;2.基于所获得的气动/推进性能数据,开展代理建模研究,获得适用于性能分析及控制器设计需要的气动力/力矩系数代理模型;3.基于可变质心的气动力/力矩系数代理模型进行空天飞行器水平起降性能分析及质心位置迭代设计。方法:1.通过形状/类型函数法建立空天飞行器几何参数化模型;2.基于势流理论和0维涡扇发动机理论快速获取空天飞行器低速段气动/推进性能数据;3.通过代理模型技术,获得不同质心位置下的飞行器气动力/力矩系数拟合表达式,并基于该表达式确定符合水平起降约束的质心位置。结论:1.空天飞行器研究中,需综合考虑高低速性能,并协调水平起降、稳定性和控制性能等多方面指标;2.本文所提出的空天飞行器概念方案,满足抬头、触地约束的质心范围在距机头65%机身长度处;3.本文所提出的面向控制建模与性能分析流程可以满足空天飞行器概念方案阶段数据快速获取、方案快速迭代优化的要求。

电磁悬浮助推空天飞行器气动关键技术分析

采用电磁悬浮助推起飞技术的空天飞行器是未来航天器的理想设计方案,也是实现飞行器水平起降的重要途径。简要介绍了空天飞行器和电磁悬浮助推发射技术的发展现状,概述了电磁悬浮助推空天飞行器的工作原理和应用优势,分析了电磁悬浮助推空天飞行器的气动关键技术,可为未来低成本、可重复使用、水平起降空天飞行器的研制提供参考。