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。

可重复使用运载火箭全寿命周期费用分析

对可重复使用运载火箭全寿命周期费用的组成进行了分析,建立了可重复使用运载火箭全寿命周期费用模型。基于此分析模型,分析了完全可重复使用运载火箭和一子级可重复使用运载火箭单枚单次发射平均全寿命周期费用随运载火箭发射次数的变化关系。结果表明,随运载火箭枚数与发射次数的增加,可重复使用运载火箭单枚单次发射平均全寿命周期费用显著降低,且当发射次数达到某一定值时,运载火箭单枚单次发射平均全寿命周期费用要低于运载火箭的制造费用;在可重复使用运载火箭全寿命周期费用中,降低操作费用在降低全寿命周期费用中不可忽视。

两级入轨完全重复使用运载火箭的方案分析与轨道仿真计算

运载火箭实现重复使用是未来运载火箭的发展趋势之一。本文首先简单地介绍了当前国外重复使用技术的发展状况，然后根据我国的国情提出了一种两级入轨可完全重复使用的方案，接着对该方案的返回轨道特性进行了研究，通过分析仿真计算结果，论证了火箭全部回收的可行性，最后提出了欲进一步深入研究此方案所需做的关键技术研究工作。

重复使用运载火箭发动机疲劳载荷特征识别方法

针对重复使用运载火箭发动机的原始疲劳载荷数据建模困难问题,选取均方根值作为重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据工况划分的标准,通过对重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据进行修正短时傅里叶变换滤波处理、雨流循环计数和疲劳载荷特征量高斯分布拟合,实现疲劳载荷数据特性量的识别与规律化处理。研究表明,重复使用运载火箭疲劳载荷数据能用高斯分布模型进行概率分布描述,异常疲劳载荷数据高斯分布参数为正常疲劳载荷数据的3倍以上。该方法可用于精确识别重复使用运载火箭发动机异常疲劳载荷数据,相比于传统异常数据识别方法,可提供异常程度量化指标,为重复使用运载火箭疲劳载荷设计与实时故障分析定位提供一种新的分析手段。

SpaceX公司重复使用运载火箭发展分析

美国太空探索技术公司(SpaceX)成立之初就瞄准了火星殖民,而火星殖民最基本的前提就是大规模的航天发射。早在20世纪初,全球平均每千克的发射价格超2万美元,这让大多数人质疑SpaceX公司只是妄想,但是SpaceX公司并没有动摇和改变这一雄心勃勃的目标,而是不断调整和优化,推动自身技术和能力的进步。为了降低发射价格,SpaceX公司坚持采用“重复使用运载火箭”这条技术路径,虽然一子级伞降回收失败,但是攻克和应用了垂直起降技术,多次实现突破。作为SpaceX公司的主力火箭,猎鹰-9(Falcon-9)凭借其重复使用能力带来的超低发射价格,无论是在商业发射领域,还是在军用和民用发射领域,都建立起了极大的竞争优势。

欧洲重复使用运载火箭发展路线分析

欧洲作为世界主要航天地区之一,十分重视进入空间能力和运载火箭技术,特别是在低温氢氧推进技术、大型商业载荷发射能力方面,处于较为先进的水平。但近年来在垂直起降复用火箭技术发展如火如荼的背景下,欧洲的重复使用火箭技术发展却相对缓慢。实际上,欧洲最初对垂直起降重复使用技术方案路线持观望甚至是反对的态度,在太空探索技术公司(SpaceX)开展猎鹰-9(Falcon-9)火箭复用技术研究和验证的过程中,空客公司(Airbus)在2015年提出了一子级发动机部段采用带翼滑行的升力式技术方案——“艾德琳”(Adeline),虽为应对措施,但并没有得到实质性的进展。

可重复使用运载火箭一子级垂直回收有限时间滑模控制

针对可重复使用运载火箭一子级在垂直回收过程无动力减速段的姿态控制问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器和改进超螺旋算法的积分终端滑模控制方法。首先,基于火箭一子级绕质心运动模型,将含有模型不确定和外部扰动的姿态跟踪控制问题转化为含总扰动的二阶系统有限时间控制问题;其次,采用有限时间扩张状态观测器对系统不可测量状态量和总扰动进行估计,进一步将状态量估计值引入积分终端滑模面,基于总扰动估计值和改进超螺旋算法设计改进超螺旋积分终端滑模控制器;最后,利用Lyapunov理论证明闭环系统有限时间稳定。研究结果表明:该控制方法能够实现可重复使用运载火箭一子级姿态的准确快速跟踪并具有良好的鲁棒性。

可重复使用运载火箭着陆支腿总体布局与关键参数优化

通过对着陆支腿数量和构型进行对比仿真分析,提出了可重复使用运载火箭着陆支腿的总体布局方案,同时建立了着陆支腿参数化仿真模型,将着陆支腿的关键几何参数作为决策变量,基于多体动力学仿真软件开展着陆稳定性仿真分析,以提高着陆稳定性、降低运载火箭返回级受到的着陆过载系数及支腿轻量化为优化目标,对着陆支腿关键几何参数进行优化和确定。仿真结果表明,优化结果能够满足工程使用需要,可以为可重复使用运载火箭着陆支腿总体方案设计提供参考。

基于MFTESO的可重复使用运载火箭多变量有限时间控制方法

针对可重复使用运载火箭一子级返回过程中大气层内无动力减速段姿态控制问题,考虑模型不确定性和外界干扰因素的影响,提出了一种基于多变量有限时间扩张状态观测器(multivariable finite-time extended stateobserver, MFTESO)的多变量有限时间控制方法。基于绕质心运动模型建立面向姿态控制的模型,利用MFTESO对系统状态和总扰动进行估计,并将估计值引入多变量有限时间控制器,以保证对姿态角期望值的准确和快速跟踪控制。基于Lyapunov理论证明了闭环系统有限时间稳定性;将基于MFTESO的多变量有限时间控制方法与非奇异快速终端滑模控制方法作对比,结果表明,前者使运载火箭一子级动态响应过程中的超调量、稳态误差更小,且能在有限时间内跟踪姿态角期望值,为实现垂直回收提供了必要条件。

垂直起降重复使用运载火箭发展趋势与关键技术研究进展

可重复使用运载火箭技术是降低空间运输费用的重要手段,也是提升空间快速响应能力的有效途径,各主要航天强国都将其作为航天领域未来发展的重点方向之一.为验证垂直起降精确软着陆与箭体回收技术的可行性,私营商业航天领域的代表者Space X公司开展了多次猎鹰-9火箭一子级海上平台和陆地回收试验,再次掀起可重复使用火箭研究热潮.本文对Space X公司可重复使用运载火箭研究历程、回收试验情况等进行简要回顾,总结归纳了重复使用技术60多年的发展历程,研究分析其发展特点、未来趋势和关键技术,提出发展我国可重复使用运载火箭技术的启示和建议.

可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望

可重复使用火箭是当今世界运载火箭技术发展的重要方向。传统的一次性运载火箭只需要完成单次发射任务,通常使用高静强度安全系数来保证其结构可靠性。对于需要尽可能多地执行发射任务以提高经济效益的可重复使用运载火箭,结构疲劳耐久性与可靠性是静强度难以覆盖的。抗疲劳断裂性能与可靠性是高性能可重复使用运载火箭结构设计的基本问题。分析了火箭、尤其是发动机结构的载荷特点,提出环境因素作用下的振动疲劳是运载火箭发动机结构的主要失效形式;分析了运载火箭中常见的焊接结构与金属增材制造结构的疲劳问题,总结了运载火箭结构耐久性和可靠性分析的研究现状,对可重复使用运载火箭的耐久性与可靠性设计进行了展望。

国外运载火箭可重复使用关键技术综述

运载器的可重复使用是未来航天运输系统的主要发展方向,具有重要的应用价值。可重复使用运载火箭能够有效降低发射成本,但也会遇到许多技术难题。针对Falcon 9火箭的研制情况,分析国外多级入轨可重复使用火箭发展历程,分析研究实现可重复使用运载火箭所需要解决的关键技术难题,为新型航天运输系统的发展提供参考。

可重复使用运载火箭发展研究

可重复使用航天运载器是人类获得低成本、常态化进入空间能力的重要途径,20世纪80年代至今,世界各国对不同类型的可重复使用航天运载器及关键技术进行了大量研究。重点分析了可重复使用运载火箭的发展和技术特点,对可重复使用运载火箭的不同回收方式进行了对比分析,并对我国发展可重复使用运载火箭的途径提出了设想和建议。

可重复使用运载火箭技术发展综述

可重复使用运载火箭是实现人类大规模低成本进出空间的重要途径。本文从垂直起降可重复使用运载火箭的技术需求出发,梳理了垂直起降可重复使用运载火箭面临的技术难题,并从技术难题分析得到垂直起降可重复使用运载火箭的关键技术。从总体优化设计、动力、结构与热防护、导航、制导与控制和健康管理等方面,对垂直起降可重复使用运载火箭关键技术的研究进展与未来发展方向进行了总结,可为可重复使用运载火箭的技术攻关提供参考。

序言 可重复使用运载火箭技术专栏

世界航天科技正在进入大规模进出空间的新阶段,可重复使用运载火箭是实现大规模低成本进出空间的重要途径,是全球航空航天领域的发展前沿。美国SpaceX公司在全力推进“超重-星舰”完全可重复使用运载火箭,已开展多次飞行试验;俄罗斯国家航天集团公布的阿穆尔运载火箭也将采用可重复使用方案;欧空局计划研制的下一代阿里安火箭则将可重复使用技术列入规划;中国也将可重复使用技术作为下一代运载火箭研制的重要方向。

一种运载火箭第一子级回收方案设计方法

针对可回收火箭的总体设计,提出了一种用于运载火箭第一子级回收方案的设计方法。首先,建立火箭子级运动模型,为便于确定回收推力大小和调节范围,在模型中引入了推力比例因子和推力调节因子。然后,探讨回收推力和推进剂剩余量的对应关系,并通过飞行时间给出剩余推进剂的约束条件。最后,从设计的角度确定回收基本过程,并通过仿真算例制定火箭子级的回收方案。所提方法详细给出了回收过程中火箭发动机的推力大小、推力调整范围、工作时间、落点位置、最大速度以及着陆段的起始速度和高度的估计。算例表明所提方法可以实现回收过程的关键参数确定。

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。

运载火箭与推进系统

本文通过对国外航天形势的分析后明确指出,航天事业已发展到了以商业服务和开发利用空间资源为主要目标的时代。为适应形势发展需要,世界各航天大国,在已有运载火箭的基础上,正以降低发射成本为主攻方向,积极开展可重复使用运载火箭(RLV)的研制,并已取得了初步进展。推进系统也相应的展开研究工作,以适应运载火箭的需求。中国的对策是,提高现有火箭运载能力并使其无毒化,继而研制可重复使用运载火箭。

基于组合算法的运载火箭一子级动力垂直回收轨迹规划

标准轨迹设计是运载火箭一子级动力垂直回收制导方法研究的基础。文章针对标准轨迹设计,提出了一种基于外罚函数法、遗传算法与序列二次规划方法的组合算法。首先,将回收轨迹按照不同飞行特性分为5段,分别是:调姿段、高空滑翔段、动力减速段、气动减速段和着陆段;然后,采用外罚函数法将多约束问题转换为一个无约束问题,并利用遗传算法对其进行优化求解得到初始解;最后,在初始解的基础上,利用序列二次规划算法得到高精度的最优解。数值仿真结果表明,该方法可以优化出一条满足各项约束的回收轨迹,简单有效,具有较强的工程应用价值。