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。

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。

基于光滑二阶滑模的可重复使用运载器有限时间再入姿态控制

针对可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)的六自由度再入模型,考虑模型不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,提出了一种非线性鲁棒控制策略.首先,根据多时间尺度特性将RLV的再入姿态模型分为姿态角子系统和姿态角速率子系统.其次,对每个子系统分别设计光滑二阶滑模控制器和滑模干扰观测器实现子系统的有限时间稳定.利用干扰观测器可以实现对不确定和外界干扰的精确估计,从而对控制器进行有效的补偿.进而,基于Lyapunov理论证明了整个系统的有限时间稳定.最后,通过仿真验证了提出的控制策略具有良好的控制性能和鲁棒性.

可重复使用运载器变结构姿态控制算法设计

详细介绍了混合使用气动舵面和反作用控制系统的变结构姿态控制系统的设计方法。该控制算法用于可重复使用运载器,对于具有高空域大马赫飞行、机动明显、通路间耦合严重的非线性不确定时为系统具有良好的控制精度和抗干扰鲁棒性。同时基于可重复使用运载器空间飞行轨迹、使用执行机构特性等因素,进行数学模型和控制律的简化设计和相应处理。仿真结果初步显示了基于变结构设计的PLV姿态控制算法可以确保对指令精确、鲁棒和解耦的跟踪能力,姿态误差小于1°,姿态响应超调量小于5%。

可重复使用运载器RCS修正脉冲调宽算法研究

主要结合可重复使用运载器的特殊工作环境、任务需求和实际的工程硬件的可实现性提出了修正脉冲调宽RCS系统指令处理逻辑,使用具有离散性能的推力器对控制律给出的线性变化控制量进行近似拟和,与常规的基于死区的处理方法相比较,既保证了姿态控制系统对指令姿态的跟踪能力,稳定性能达到期望要求,同时姿态角速度和角度的振荡频率降低到1Hz以下,RCS系统燃料消耗降低57%,也不会对推力器性能产生苛刻的要求。最终的仿真结果验证了该方法的有效性和适用条件。

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 。

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。

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。

重复使用运载器末端能量管理段轨迹线设计

为了研究重复使用运载器末端能量管理段的下滑轨迹线设计,给出了基于高度和动压的质点动力学的设计方法。首先,将基于时间历程的质点动力学方程转化为基于高度剖面的质点动力学方程,同时利用动压代替速度,使轨迹形状直接和动压约束相关。接着,利用基于动压和高度剖面的质点动力学方程,结合末端能量管理段制导与控制的特点,将不同的轨迹设计问题转化为不同的数学优化问题,并且给出了轨迹设计的数学方法和步骤,主要包括:最陡下滑、最大升阻比下滑和参考下滑轨迹剖面的设计。最后利用上述方法,针对所研究的重复使用运载器的对象特性,设计了具体的轨迹剖面和能量走廊。结果表明此方法具有较强的实用性和工程性。

第二代可重复使用运载器及其再入制导技术

可重复使用运载器是未来航天运输系统发展的主要方向,各大国正围绕其关键技术开展积极的研究。第2代可重复使用运载器对再入制导技术的自主性、安全性和可靠性提出了更高的要求。分析了各国可重复使用运载器的发展概况,给出了可重复使用运载器再入的特点。重点综述了针对第2代可重复使用运载器开发的各种新型再入制导方法,并讨论了有待深入研究的可重复使用运载器再入制导关键技术。

重复使用运载器陶瓷热防护系统

热防护系统是航天飞行器 ,特别是重复使用运载器的关键技术之一。该系统要求材料具有隔热效果好、重量轻、结构简单、安装和更换容易、寿命长等特点。本文介绍了重复使用航天飞行器的陶瓷热防护系统的材料组成、性能、制备及构件的安装。

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。

可重复使用运载器机翼外形优化

研究了有翼可重复使用运载器机翼平面外形参数优化设计问题。在高超声速配平和低速水平着陆性能等约束条件下,利用混合遗传算法和粒子群优化算法来选择最优机翼外形参数,使机翼重量最小化。在已知的不同质心位置下求得相应的最小重量机翼外形。亚声速气动力采用面源法计算,高超声速气动力采用修正的牛顿流理论计算。为了降低计算耗费,使用均匀设计和逐步回归方法建立了低速气动力回归模型。整个优化过程在Matlab集成环境下完成。

可重复使用运载器的RCS姿态控制技术研究

反作用控制系统作为可重复使用运载器高空的姿态控制手段,其力矩特性不同于常规的气动操纵面,因此设计适合高空姿态控制特点与要求的控制系统是非常必要的。文中采用了一种带死区的乒乓控制方式,设计了俯仰、滚转和偏航的反馈控制律,采用描述函数法在频率上分析了控制系统的稳定性。仿真结果表明,设计的控制系统能较好的满足高空姿态控制要求,最后对姿态控制效果和反作用控制系统喷量之间的关系进行了分析。

基于hp自适应伪谱法的组合动力可重复使用运载器轨迹优化

针对传统化学火箭难以重复使用、发射成本高的问题,提出了一种水平起飞/降落的新一代可重复使用运载器飞行方案,并对其动力模式设计和上升段轨迹优化方法等关键技术进行深入研究。设计了一种涡轮\冲压发动机结合火箭\冲压发动机的组合动力模式,建立了发动机推力与高度、马赫数等变量间的耦合模型,根据动力形式将上升段轨迹分为两段并采用全局搜索法确定动力切换的最佳时机。根据分段结果,分别以燃料最省和终端速度最大为指标,利用hp自适应伪谱法对两段进行轨迹优化设计。该算法基于双层策略求解最优控制问题,兼备伪谱法和有限元法的优点,与打靶法、伪谱法和间接法相比,初值更易选取,收敛速度更快。

论我国重复使用运载器推进系统方案

根据美国NASA的X-33计划的终止、2002年SLI的改变等事实,论述我国重复使用运载器分步走的发展思路,探讨我国重复使用运载器推进系统方案,阐述了我国首先发展两级重复使用运载器的优势和推进系统的关键技术。

重复使用运载器末端区域能量管理段三维制导轨迹在线推演研究

研究了重复使用运载器(RLV)末端区域能量管理段(TAEM)三维制导轨迹在线推演算法。根据RLV当前动压、位置和航向,规划动压参考剖面和横侧向参考轨迹,采用基于高度的质点动力学方程在线推演出满足过载、动压约束以及终点动压、位置和航向要求的三维轨迹。横侧向参考轨迹规划分为2个阶段,即消除横向位置误差兼顾减小纵向位置误差阶段和消除纵向位置误差阶段,提出了组合使用3种模态消除纵向位置误差的新方法。对于三维轨迹推演,提出了采用航迹倾斜角补偿法二次推演三维轨迹的新算法,修正终点位置误差超过自动着陆(ALI)容许范围的三维制导轨迹,使误差进入容许范围。仿真计算结果显示,该三维轨迹在线推演算法具有快速、准确、对初始点位置和航向分布鲁棒性强的特点。