我国新一代中型高轨运载火箭发展研究

新一代火箭CZ-5、CZ-6和CZ-7陆续首飞成功,拉开了我国运载火箭更新换代的序幕。新一代中型运载火箭CZ-7于2016年6月和2017年4月圆满完成了两次飞行任务,为中型运载火箭的研制奠定了坚实的基础。在CZ-7火箭基础上,增加CZ-3A氢氧三子级,在海南文昌发射GTO轨道卫星,运载能力不低于7.0t,可快速形成更新换代能力,填补我国GTO轨道该吨位的运载能力的空白。为了进一步提升我国运载火箭的竞争力,对标国际先进水平,针对新一代中型高轨运载火箭开展构型优化研究,以提高火箭性能,降低火箭成本,提升火箭的使用维护性能,满足后续GTO发射任务需求。     

Cost Engineering – The new paradigm for space launch vehicle design

The paper describes the basic definition and application of 'Cost Engineering' which means to design a vehicle system for minimum development cost and/or for minimum operations cost. This is important now and for the future since space transportation has become primarily a commercial business in contrast to the past where it has been mainly a subject of military power and national prestige. Several examples are presented for minimum-cost space launch vehicle configurations, such as increasing vehicle size and/or the use of less efficient rocket engines in order to reduce development and operations cost. Further a cost comparison is presented on single-stage (SSTO)-vehicles vs. two-stage launchers which shows that SSTOs have lower development and operations cost although they are larger, respectively have a higher lift-off mass than two-stage vehicles with the same performance. The design of a space tourism-dedicated launch vehicle is an extreme challenge for a cost-engineered vehicle design in order to achieve cost per seat not higher than $50,000. Finally an outlook is presented on the different options for manned Earth-to-Moon transportation modes and vehicles – another most important application of 'cost engineering', taking into account the large cost of such a future venture.     

垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析

重复使用运载技术是降低单次发射成本、提高发射密度和减少残骸危害的有效手段,随着以Falcon 9系列为代表的垂直起降运载器的成功回收与重复使用,其在商业航天发射市场表现出了较强的竞争力,掀起了可重复使用运载器的研究新热潮。首先梳理了垂直起降可重复使用运载器的发展现状,然后结合垂直起降运载的任务特征分析了其关键技术,最后总结了垂直起降运载器的发展趋势。     

Ares V launch vehicle: An enabling capability for future space science missions

NASA's planned Ares V cargo launch vehicle offers the potential to completely change the paradigm of future space science mission architectures. Future space science telescopes desire increasingly larger telescope collecting aperture. But, current launch vehicle mass and volume constraints are a severe limit. The Ares V greatly relaxes these constraints. For example, while current launch vehicles have the ability to place a 4.5 m diameter payload with a mass of 9400 kg on to a Sun-Earth L2 transfer trajectory, the Ares V is projected to have the ability to place an 8.8 m diameter payload with a mass of approximately 60,000 kg on to the same trajectory, or 180,000 kg into Low Earth Orbit. Also the Ares V could place approximately 3000 kg (13,000 kg with a Centaur upper stage) on to a trajectory with a C3 of 106 km²/s², arriving at Saturn in 6.1 years without the use of gravity assists. This paper summarizes the current planned Ares V payload launch capability.     

Simple method for performance evaluation of multistage rockets

Multistage rockets are commonly employed to place spacecraft and satellites in their operational orbits. Performance evaluation of multistage rockets is aimed at defining the maximum payload mass at orbit injection, for specified structural, propulsive, and aerodynamic data of the launch vehicle. This work proposes a simple method for a fast performance evaluation of multistage rockets. The technique at hand is based on three steps: (i) the flight-path angle at each stage separation is guessed, (ii) the spacecraft velocity is maximized at the first and second stage separation, and (iii) for the last stage the thrust direction is obtained through the particle swarm optimization technique, in conjunction with the use of the Euler–Lagrange equations and the Pontryagin minimum principle. The coast duration at the second stage separation is optimized as well. The method at hand is extremely simple and easy-to-implement, but nevertheless it proves to be capable of yielding near-optimal ascending trajectories for a multistage launch vehicle with realistic structural, propulsive, and aerodynamic characteristics. The solutions found with the technique under consideration can be employed either for a rapid evaluation of the multistage rocket performance or as guesses for more refined optimization algorithms.     

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。     

VentureStar… reaping the benefits of the X-33 program

Major X-33 flight hardware has been delivered, and assembly of the vehicle is well underway in anticipation of its flight test program commencing in the summer of 1999. Attention has now turned to the operational VentureStar^TM, the first single-stage-to-orbit (SSTO) reusable launch vehicle. Activities are grouped under two broad categories: (1) vehicle development and (2) market/business planning, each of which is discussed. The mission concept is presented for direct payload delivery to the International Space Station and to low Earth orbit, as well as payload delivery with an upper stage to Geosynchronous Transfer Orbit (GTO) and other high energy orbits. System requirements include flight segment and ground segment. Vehicle system sizing and design status is provided including the application of X-33 traceability and lessons learned. Technology applications to the VentureStar^TM are described including the structure, propellant tanks, thermal protection system, aerodynamics, subsystems, payload bay and propulsion. Developing a market driven low cost launch services system for the 21st Century requires traditional and non-traditional ways of being able to forecast the evolution of the potential market. The challenge is balancing both the technical and financial assumptions of the market. This involves the need to provide a capability to meet market segments that in some cases are very speculative, while at the same time providing the financial community with a credible revenue stream. Furthermore, the market derived requirements need to be assessed so as not to impose unnecessary requirements on the vehicle design that add unreasonable cost to the development of the system, yet provides the right capabilities for new markets that could be triggered by dramatically lower space transportation prices.     

固液混合火箭发动机研究进展

固液火箭发动机因其推进剂能量较高、安全性好、易实现推力调节、可实现多次启停、药柱稳定型好、温度敏感性低、环保性佳和经济性好的特点,十分符合下一代航天平台绿色环保、智能随控、快速响应的发展需求,在探空火箭、亚轨道飞行器、靶标、小型运载火箭、助推器、上面级动力系统、姿轨控动力系统、着陆器和其他许多民用商业航天领域中都具有良好的应用前景。分析了固液火箭发动机的国内外发展现状及发展趋势,对国内外固液火箭发动机相关的典型项目、工程应用和关键技术发展情况进行了回顾和总结,并以此为基础总结固液火箭发动机技术的发展趋势和有待进一步突破的关键技术。     

中国运载火箭地面系统发展方向研究

地面系统用于支持和保障火箭的发射与试验,对火箭的使用性能、发射能力、发射场配置及工作流程等有重要的影响。调研了国外运载火箭地面系统发展现状,总结了国外运载火箭地面系统发展趋势。从快速发射、简易发射、安全发射、自动发射和通用发射等方面提出了地面系统发展思路和主要关键技术,为我国后续运载火箭地面系统发展提供参考。     

电磁发射技术的关键问题及其数值模拟

为了分析影响电磁发射性能关键技术问题,研究了电磁发射的相关因素,并进行了仿真分析.对当前提出的几类电磁发射技术进行总结,分析了其在高功率脉冲电源,电力调节控制,轨道、弹丸材料与结构以及抗烧蚀等方面的技术问题.讨论了轨道式发射装置的教学模型,并进行仿真.对发射效率、出口速度和发射精度等指标进行数据分析.结果表明,电源功率、轨道材料性能和电力调节控制方法是影响电磁发射性能的关键因素.     

大型低温液体火箭“零窗口”发射技术

我国大型低温液体运载火箭组成系统多、各系统耦合关联程度大、射前流程复杂，实现“零窗口”发射难度大。基于大型低温液体运载火箭的系统特点和射前约束条件，提出了实现“零窗口”发射的技术方案。通过能力挖潜主动拓展了任务故障适应性和窗口宽度，并辅以科学的测试发射策略，将技术和流程相结合，共同实现大型低温运载火箭“零窗口”发射目标。这对全面提升大型运载火箭和发射场“零窗口”发射能力、适应未来航天发展需求具有十分重要的意义。     

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。     

战术导弹垂直发射系统的现状及发展趋势

介绍了垂直发射装置通用化、箱式化和模块化的总体特征。详细论述了国外现役8种类型的垂直发射系统，根据基本结构特点将垂直发射装置分为模块式结构、独立布置的分离式结构和旋转式结构，另依据发射动力将垂直发射装置分为热发射和冷发射。以热发射的同心筒式结构和冷发射采用的大倾角、模块化设计为例．分析了垂直发射装置的发展趋势。     

国外固体运载火箭主动力系统发展研究

统计了近10年来欧洲、日本、美国的固体运载火箭发射情况,系统分析了这些火箭使用的固体发动机性能参数,梳理了其发展脉络。这些国家和地区固体运载火箭主动力系统低成本的技术思路、模块化的发展方向、自动化的生产条件、完备的寿命评估体系,能够为我国运载火箭固体动力系统现阶段的使用、改进,以及未来的发展、规划提供参考和借鉴。     

中国运载火箭测试发射模式发展思路研究

运载火箭的测试发射模式对火箭和发射场总体方案起着重要作用,目前各国常用的测发模式主要有一平两垂、三垂和三平模式。研究和总结国内外运载火箭测发模式及其特点,从任务适应性、环境适应性、可靠性和安全性、经济性这4个指标中细化出13项影响因素,在此基础上开展了3种测发模式影响因素对比分析。结合我国发射场环境地质条件和现有建设条件,提出一种运载火箭测发模式定量分析方法,完成了我国小型、中型、大型及重型运载火箭在现有4个发射场最优测发模式分析,为我国运载火箭未来测发模式发展提供重要参考。     

基于序列近似优化算法的固体运载火箭弹道设计

采用打靶法研究固体运载火箭弹道优化设计问题。针对打靶法中智能优化算法效率、优化问题中约束条件提法等方面的不足,引入序列近似优化算法,提出算法中径向基函数高斯核宽度的高效确定方法。数值仿真实验表明,提出的方法可在基本不带来计算量增加的前提下,显著提高代理模型精度,使序列近似优化算法得到改进,提高优化效率。设计固体运载火箭飞行程序。建立弹道优化设计问题数学模型,并将模型中相关等式约束合理转化为不等式约束,降低优化问题求解难度;基于改进后的序列近似优化算法完成某固体运载火箭弹道优化,原始计算模型调用308次之后便搜索到最优解,较传统智能优化算法显著提高了优化效率,优化方案末助推级液体推进剂消耗比原方案减少25.7%。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

一种纠3错BCH译码器的FPGA设计

文章基于一种较新颖的纠3错BCH码逐步译码算法和结构原型,提出了BCH译码器的完整实用化结构,采用FPGA设计并实现了纠3错BCH(31,16)译码器。该译码方案的特点是主体结构通用、资源占用少、运行速度高,非常适合于需要对传输帧的帧头实施特殊保护的数据传输应用场合。     

上面级在发射轨道的辐射外热流分析

研究发射轨道的外热流是进行火箭上面级和卫星热控设计的基础。文章给出了基于一组轨道和姿态参数的太阳矢量与地球矢量的计算方法。针对圆柱外形的上面级,分析了其发射轨道外热流的变化规律,利用该计算方法计算了太阳矢量,而太阳矢量在长时间滑行段相对固定,太阳矢量和受晒因子随发射时间而发生大幅度的变化,使得外热流工况变得非常复杂。通过对太阳定姿且绕箭体纵轴慢旋,可改善火箭上面级的飞行热环境,简化卫星和上面级的热控系统设计。     

基于桥接模式的双网络重复使用运载器控制系统冗余技术

根据重复使用运载器因面临恶劣电磁环境而对控制系统提出的可重用、高可靠性要求,提出了一种基于桥接控制器的四余度1773A光纤总线双网络冗余控制系统方案。该方案在实时性、数据处理、缓解信息拥塞、电磁兼容性等方面具有较好的优势,控制系统实现了集控制、传感、通信、网络、故障诊断与容错处理于一体的功能。通过对计算机、综合控制器、伺服机构等关键部组件及系统级总线进行冗余设计,提高了系统的可靠性。