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。     

运载火箭主动段自适应增广控制

针对运载火箭上升段在复杂飞行环境、大不确定性干扰和振动等因素的影响下，传统PID控制方法难以满足高品质控制需求的问题，进行了自适应增广控制(AAC)方法研究，以实现对运载火箭姿态的精确控制。在深入分析自适应增广控制系统整体构架的基础上，通过标称PID控制器设计与基于粒子群优化(PSO)的数字滤波器设计实现了刚体控制及对弹性振动的抑制；继而针对大范围干扰、不确定性和由于滤波器切换产生的弹性振动影响，设计了在线调整算法自适应调节PID控制增益，并对其工作机理与参数设计原则进行研究；然后设计干扰补偿回路和主动减载回路以减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响；最后在弹性振动、风干扰和参数不确定性等因素同时作用的状态下进行仿真分析，验证了自适应增广控制系统能够有效应对运载火箭主动段复杂飞行环境的影响，大幅度提升综合控制性能，具有理论研究意义与工程应用价值。     

低温推进剂输送与预冷系统间歇泉不稳定性数值模拟研究

针对低温推进剂（液氧）输送与预冷系统间歇泉不稳定性进行了模拟与数值试验研究。分析与验证了连接液氧贮箱的底端封闭垂直管路的典型间歇泉不稳定过程,对经验Murphy曲线进行了检验。针对自然循环型的低温推进剂输送与预冷系统不稳定性及典型间歇泉的发生,进行了稳定域的计算与影响参数分析,研究了过冷度、输送管漏热、发动机进出口阻力、回路高度,以及回流管漏热（保温状况）对各域边界的影响。     

低温推进剂地面加注系统冷量利用方案分析

为了降低低温推进剂损耗,提高利用效率,降低发射成本,提出了4套运载火箭低温推进剂地面加注系统的冷量利用方案。基于热力学原理,建立了非稳态数学模型,并以能量品质高低作为衡量方案优劣的标准,通过实例计算对比分析了各个冷量利用方案的可行性。研究得出4套冷量利用方案从热力学角度出发都是可行的,其中方案A和方案D最优,方案A可应用在目前现有低温推进剂地面加注系统中,而方案D则可应用于未来重型运载火箭低温推进剂地面加注系统之中。     

国外重型运载火箭发展趋势述评

重型运载火箭发展的核心问题是总体构型方案,包括箭体直径、发动机选型及技术继承性问题。通过对国外重型运载火箭发展脉络进行分析,研究其发展特点,总结了发展趋势,即重型运载火箭由传统的串联构型向捆绑助推器构型发展;重型运载火箭采用大直径箭体和大推力发动机;充分发挥液体、固体发动机的优势,实现最佳动力组合,并充分利用成熟技术。最后,提出我国重型运载火箭总体设计工作的相关建议。     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

Development trend review of foreign heavy-lift launch vehicle

重型运载火箭发展的核心问题是总体构型方案,包括箭体直径、发动机选型及技术继承性问题.通过对国外重型运载火箭发展脉络进行分析,研究其发展特点,总结了发展趋势,即重型运载火箭由传统的串联构型向捆绑助推器构型发展;重型运载火箭采用大直径箭体和大推力发动机;充分发挥液体、固体发动机的优势,实现最佳动力组合,并充分利用成熟技术.最后,提出我国重型运载火箭总体设计工作的相关建议.     

四氧化二氮低温非稳态导热模型研究

四氧化二氮在低温条件下容易凝结为固体而对航天发射产生难以预见的影响,本文依据非稳态传热理论对低温环境中不同管径圆柱管道内的四氧化二氮导热情况进行了研究,建立了圆柱管道四氧化二氮低温非稳态导热模型,经验证与实际情况拟合较好。     

我国液体火箭发动机发展之路——专访液体火箭发动机专家朱森元院士

<正>朱森元,中国科学院院士。朱院士长期致力于液体火箭发动机的理论研究和研制工作,主持完成了液体火箭发动机冷却剂超临界传热计算方法和沸腾换热临界热流计算方法的研究,是我国液氢液氧火箭发动机技术的主要开拓者之一。朱院士在高科技航天领域大型运载火箭和天地往返运输系统的概念研究、火箭发动机及大型     

前苏联运载火箭简介(三)

上世纪70年代，前苏联为了将运载火箭发展成为小、中、重型全系列标准型运载火箭．将11K77型火箭(即现在的天顶2)纳入中型运载火箭系列发展计划。这样，11K55、11K77和11K37就组成了一个完整的系列运载火箭。这三种火箭共用相同的推进系统、控制系统、助推级、上面级以及火箭准备与发射设施。     

某大型低温运载火箭无人值守加注发射技术研究

针对提升和保障航天发射人员安全问题,提出了低温运载火箭无人值守加注发射(CLVUFL)的理念和内涵.通过国内外代表性CLVUFL的技术对比,发现国内低温火箭加注发射应用CLVUFL技术存在箭地接口复杂、加注发射时间较长、关键设备可靠性有待提高、智能化自动化程度不高等主要问题.针对某大型低温运载火箭加注发射流程,通过分析...     

低温推进剂火箭发动机预冷方案研究

对国内外低温推进剂火箭发动机采用的排放预冷、自然循环预冷和强制循环预冷等预冷方案进行了综述。介绍了国内新一代运载火箭使用的新型低温液体发动机的预冷研究。对液氧煤油发动机预冷方案中推进剂类型、发动机所在子级、自然循环多因素综合等影响方案的主要因素,以及发动机预冷方案中的维护、沸腾传热与两相流数值模拟等关键技术进行了分析。     

Technical Feature Analysis of the LM-5 Overall Plan

The Long March 5(LM-5) launch vehicle is China's new generation heavy-lift rocket with the largest payload capacity,representing the highest standard of China's current launchers.It took 10 years to develop the LM-5 launch vehicle.On November 3,2016,the LM-5 carrier rocket blasted off from the Wenchang satellite launch center on Hainan Island,achieving a successful maiden flight.During the development of the LM-5 rocket,the engineering team accumulated abundant experience on developing heavy-lift cryogenic rockets and established a thorough research and development system for new generation launch vehicles,which significantly raised the ability for launcher RD.     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

空中发射技术特点的量化分析

近几年,随着小卫星市场的蓬勃发展,小型卫星发射市场持续升温,以飞马座XL和运载器一号火箭为代表的空射火箭完成多次发射任务,将数十颗卫星送入近地轨道。空射运载火箭具备快速响应、机动灵活、发射成本低、任务适应性强等技术特点。运载火箭从空中发射可以充分利用载机的飞行高度和飞行速度,在相同的系统运载能力下,火箭的起飞质量更小;在相同的火箭起飞质量下,系统运载能力更高;同时,对于规模星座快速部署,空中发射的灵活优势显著。围绕空射火箭的上述技术特点,基于空射火箭模型开展仿真分析研究及不同发射方式的结果对比,结果表明空射方式对提升系统效益效果显著。     

Innovation and Outlook of the New Generation of Cryogenic and Quick-Launch Launch Vehicle

This paper introduces a launch vehicle scheme for the new generation of cryogenic and quick-launch launch vehicle(LM-6). The main technical innovations of LM-6 launch vehicle include the capability of twenty satellites launched by one vehicle, high-pressure staged combustion cycle engine and oxygen tank self-pressurization, sandwich bulkhead tank with 200 K temperature difference, and 7-day quick-launch using the "three horizontals" test and launch mode with integral transportation and erection. The future development of the quick-launch launch vehicle is predicted based upon the need for vehicle mission coverage improvement, better response speed, and stronger market competiveness.     

The transcost-model for launch vehicle cost estimation and its application to future systems analysis

The first part of the paper describes the structure of the analytical cost estimation model (1982 edition) for launch vehicle development, fabrication and launch operations cost. Especially the new approach for a cost assessment of operations cost including refurbishment (in case of reusable vehicles), direct and indirect operations is presented for discussion and subsequent improvements by introduction of more reference values. The model uses the Man-Year (MY) as cost unit which is independent from inflation and currency exchange rate changes.

The second part of the paper deals with its application to future systems analysis and cost comparison with the example of a potential future European launcher (Post-Ariane-4) with 15 tons LEO payload capability: ten different two-stage launch vehicle concepts (expendable, semi-reusable and fully reusable) with storable and cryogenic propellants are analysed with respect to development cost and cost per launch.

The key problem for a future European launch vehicle is the optimum solution between the (limited) development effort and the desired minimum launch cost. More advanced (partially) reusable systems could provide an essential reduction in cost per launch, require, however, a higher development effort.

In such a case an analytical cost model based on realistic reference data can provide important data for the vehicle concept selection process.     

The Development Characteristics and Trends of Heavy Launch Vehicles

Heavy launch vehicles represent the ability of a country to enter space and utilize space resources. In re-cent years, with the growth in human space exploration, the major aerospace powers and companies in the world areplanning to develop heavy launch vehicles. This study analyzes the development of heavy launch vehicles in the world,reviews the characteristics of China's heavy launch vehicle serial configuration, and then proposes common points anddevelopment trends of future heavy launch vehicles in the world.