基于技术领先策略的航天技术应用及服务产业发展实践——中国运载火箭技术研究院军民融合发展实践

技术的两用性打破了军、民产业的隔绝,军用和民用领域发生技术扩散并产生溢出效应已成为军工企业实施军民融合发展战略的重要前提,也是军工企业开拓民用市场的最核心的竞争优势。中国运载火箭技术研究院作为我国最大的运载火箭研制与生产单位,自20世纪80年代以来在军民融合发展的道路上不断探索前行。从军用技术转化模式、军民两用技术开发模式和产业项目典型实践等角度,系统阐释了中国运载火箭技术研究院的军民融合发展实践,以期为国内其他军工单位的军民融合产业发展提供有益的经验借鉴。

中国运载火箭技术研究院产业市场工作的探索与实践

一、概述市场是企业经营的逻辑起点,认识市场、适应市场、驾驭市场是企业经营的核心和关键。以中国运载火箭技术研究院（以下简称＂研究院＂）为代表的军工企业,在始终坚持＂以国为重、强军首责＂的同时,不断践行军民融合深度发展战略,充分利用军品的优势技术、资源和能力进行项目孵化和产业培育,不断开发产业市场,服务国民经济。对研究院来说。

高燃压中型运载火箭发射地面低高度排导技术

综合高燃压中型运载火箭高密度发射燃气流地面排导需求及烧蚀风险分析,提出基于地面双面导流装置与高位挡流墙结合的地面低高度排导技术方案。利用火箭发射燃气动力学研究总结的燃气流膨胀特性以及导流型面设计方法,解决了地面低高度排导技术涉及的地面导流装置导流型面气动设计以及尺度控制两个关键问题。地面低高度排导技术方案设计与燃气流场瞬态仿真多轮叠代,实现了燃气流排导烧蚀范围合理控制,避免了燃气流低高度排导烧蚀反溅影响箭体。地面低高度排导技术采用专利支撑的喷水冷却防护方案实现高燃压中型运载火箭发射燃气流强烧蚀环境发射系统、发射设施综合防护。基于喷流缩比试验相似性控制方法研制了1∶10比例喷流缩比试验系统,通过喷流缩比试验验证确认高燃压中型运载火箭发射燃气流能够实现地面低高度安全、顺畅排导,同时与发射台、导流装置结构融合的阵列喷水方案能够行之有效解决高燃压中型运载火箭地面低高度排导强烧蚀难题。

面对称运载火箭优势面滚转迎风技术

针对面对称运载火箭飞行中俯仰、偏航通道控制力不匹配问题,提出通过姿态滚转控制调整迎风面以减小最大飞行摆角的控制技术,称为滚转迎风(bank-to-wind,BTW)技术。重点研究了BTW控制的离线法,推导了BTW控制滚动程序角理论值的解析解,证明了该理论值的偏差与飞行姿态偏差是同阶小量。提出带权重的傅里叶级数拟合算法,对滚动程序角进行修正,以符合工程应用的可行性。开展六自由度飞行动力学仿真,分析BTW控制对控制力、飞行气动载荷和滚动程序角跟踪品质的影响,验证BTW控制的有效性。比对不同拟合基频的仿真结果得出结论:拟合频率过高将影响控制品质,从工程应用角度看滚动程序角的“光滑性”比“拟合性”更重要。

运载火箭基于模型的系统工程研究

阐述了航天系统工程概念的来源和实践方法,对基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)概念及其发展现状进行了综述。结合运载火箭的数字化研制进展,提出了运载火箭基于模型的系统工程设想及其可能产生的效益,分析了需要解决的关键技术、存在的问题与挑战,对未来发展进行了展望。

中国运载火箭发展历史与未来

引言“地球是人类的摇篮,但人类不能永远生活在摇篮里。”太空是大国博弈和利益争夺的战略高地,航天事业是国家意志和战略利益的重要体现。而一切太空活动,首先必须能够进入太空。二十世纪五六十年代,为了进一步增强国防实力,为经济建设创造良好和平的发展环境,党中央果断决策发展自己的航天事业。经过67年的发展,中国运载技术已在引领航天事业发展、领跑科学技术创新、孕育航天精神谱系等多个方面取得了辉煌成就。

基于空中回收的运载火箭尾舱挂取方案设计及仿真分析

运载火箭空中回收的挂取过程是整个回收过程中最关键的环节之一。针对运载火箭尾舱空中挂取的全流程,开展了将直升机作为回收平台的钩取装置设计,主要包括拉力传感器、过载保护装置、减载装置以及末端的执行机构。翼伞和减速伞从火箭尾舱的底部弹出,挂取装置可通过挂取翼伞顶部的牵顶伞实现对回收体的挂取操作。通过对挂取过程的仿真分析可以看出,回收体的质量增大时,过载显著增加,而当翼伞的收伞时间增加时,减载效果明显。

中国运载火箭技术的成就与展望

中国长征火箭完全依靠中国人自己的力量 ,取得了举世瞩目的成就。目前已形成了包括1 2种火箭在内的长征系列火箭群体 ,可用于发射近地轨道、太阳同步轨道和地球同步转移轨道的多种卫星 ;已进行了 64次发射 ,将 72个航天器成功送入地球轨道 ,其中包括 2 7颗国外卫星 ;火箭总体技术性能接近或达到国际一流水平 ,在国际商业卫星发射市场上具有一定的竞争力 ;带动了国民经济相关行业的发展。中国运载火箭将进一步提高可靠性、适应性 ,缩短发射周期 ,优化火箭型谱 ,开发研制新一代无毒、无污染、高性能、低成本的运载火箭 ,进一步提高参与国际商业发射服务的能力。中国还应研制和探索可重复使用运载火箭技术 ,从根本上降低成本 ,提高可靠性 。

运载火箭非火工分离机构技术发展与展望

针对国内外运载火箭分离技术进行系统研究,具体包含助推分离、级间分离、整流罩分离及有效载荷分离等四类形式。结合非火工分离机构技术发展需求,从连接形式与驱动能源两个方面对分离机构技术进行综合分析,对比分析了各分离机构技术特点,并对非火工分离机构产品发展趋势进行研究展望,旨在为运载火箭非火工分离机构技术创新与产品系统性发展提供参考。

运载火箭可重构性及评价方法研究

可重构概念在各行各业被广泛使用,但其定义、目标、方法均无统一认识。基于梳理的一些领域或专业的可重构概念,从系统的概念出发,探讨了系统重构的基本概念。在基本概念的基础上,探究了可重构运载火箭的概念,初步提出了一次性运载火箭可重构的定义和目标,提炼可重构运载火箭的特征。从目标可达能力和系统可控能力两个方面,给出了运载火箭可重构性评价方法,通过仿真算例验证了方法的有效性。最后,对可重构运载火箭后续需重点开展的工作提出建议。

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。

大直径整流罩运载火箭选型抖振试验研究

运载火箭在研制初期会根据卫星的包络需求提出整流罩的包络尺寸,进而提出火箭的初步构型设计。为了预示火箭设计构型的抖振风险,需针对火箭具体的外形尺寸、箭体频率、刚度数据开展跨声速抖振试验研究的相关工作。采用全弹性模型的抖振试验技术,以某型火箭3种5 m级直径整流罩构型为研究目标,通过开展2个方向的抖振试验,采用特征系统实现算法,评估3种火箭构型的抖振风险。研究结果表明:5.2 m直径整流罩+3.35 m直径三级构型一阶弹性模型对来流的响应时间短、响应幅值低,一阶和二阶弹性模型的气动阻尼值均大于零,可作为中国未来中型运载火箭大直径整流罩构型的外形设计方案。

运载火箭并联级间分离动力学仿真与分析

基于间接预测法对并联两级运载火箭的级间分离过程进行了动力学仿真,获得了并联两体分离特性和规律。结果表明,气动力将有利于提高两级间的相对速度和距离,气动力矩对一级的姿态影响小,但会使二级产生较大的俯仰角与攻角。为了改善二级的姿态,基于分离的特性规律提出了分离优化措施,仿真结果表明优化后二级的姿态更加稳定、优化措施有效。最后分析了单一偏差因素、多偏差因素组合对分离运动的影响规律,并通过蒙特卡洛仿真得到了并联级间分离轨迹和姿态的包络范围,以此来评估分离的安全性。

基于故障树与遥测数据的运载火箭滚控装置排故技术

针对运载火箭飞行试验中出现的滚动通道姿态超差、超差故障现象难以通过试验复现的情况,基于遥测数据,采用故障树分析法,查找出故障原因并据此采取了改进防护措施。通过地面试验和飞行试验,验证了改进防护措施的有效性,确保了研制工作的顺利推进及后续飞行试验的成功。结果表明:排故技术对运载火箭设计研制过程中遇到的同类技术问题具有普适性。

基于划代研究的中国运载火箭未来发展趋势分析

首次对中国运载火箭开展了代际划分研究,完成中国运载火箭划代技术指标提取和划代标准分析,提出6大类29小项技术指标、确定117项评分准则。根据梳理出的划代标准,完成中国运载火箭划代分析研究,结合划代结果分析了中国运载火箭未来发展趋势。

FC-AE-1553光纤总线技术在运载火箭测量系统的应用

运载火箭测量系统使用LVDS、RS422、1553B等总线接口,以混合应用方式构成了测量系统数据传输网络。随着运载火箭测量系统技术发展,高带宽传输、设备数据共享、电缆网轻质化等需求日益增长,测量系统亟需发展新型总线技术满足应用需求。FC-AE-1553光纤总线技术具有时间同步、高速传输、多冗余和多级网络级联等总线网络特点,能够应用于航空航天和船舶等高速高可靠应用领域。运载火箭测量系统采用FC-AE-1553光纤总线技术,在保证测量系统高可靠通信的同时,能够极大提升测量系统数据传输通信速率,实现测量系统高速信息传输。

新一代中型运载火箭故障诊断和容错重构总体方案研究

长征系列火箭已经进入高密度研制和发射时代,但由于动力系统故障导致发射任务失败的情况时有发生。随着新一代液体运载火箭对高效率、高可靠要求不断提升,中国运载火箭故障适应性不足的问题日益凸显。以新一代中型液体运载火箭发动机故障为研究对象,按照在线故障诊断、任务重构以及制导姿控律重构的故障应对流程,构建了故障诊断和容错重构的总体方案,有效提升了火箭对发动机故障的适应性,为进一步打造智慧火箭奠定基础。

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120 t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120 t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。

重型运载火箭总体技术研究

重型运载火箭是一个国家进入空间能力的重要标志,也是国家综合实力的重要体现。结合世界上曾经研制过的重型运载火箭特点,对火箭的总体方案和总体技术进行研究。在总体方案中,首先分析了重型运载火箭的需求,然后根据需求选择重型运载火箭的构型和动力组成。在总体技术中,通过设计技术、制造技术和试验技术三个方向,研究了与重型运载火箭密切相关的POGO抑制技术、动特性获取技术、制造材料的选择、关键部件的制造技术以及动力系统试验和飞行验证等试验技术,并给出了适合我国国情的重型运载火箭发展路径。

新一代中型系列运载火箭长征八号的发展及其关键技术

回顾长征八号系列运载火箭的发展,其研制定位填补中国太阳同步轨道3 t至4.5 t运载能力空白,并衍生出对3 t以下运载能力覆盖的无助推器构型,从而构成中国新一代主力中型火箭。在此基础上开展了长征八号改进型火箭的研制工作,进一步提升运载能力和缩短发射周期。文中介绍了长征八号基本型所突破的关键技术,以及探讨了改进型研制中在氢箱闭式自生增压、3.35 m直径PMI夹层氢氧共底贮箱设计等关键技术上的创新;并结合文昌商业发射工位的建设,对未来长征八号系列运载火箭的发展进行了展望。