带预设性能的火箭垂直着陆段姿态自适应控制设计

可重复使用运载火箭是典型的复杂非线性、强不确定性系统,其着陆飞行过程中存在的未知环境干扰和未建模动态将严重影响火箭姿态系统的稳定性。针对此情况,设计了火箭垂直着陆段飞行的姿态自适应控制系统,以解决上述不确定性所带来的不利影响;同时,引入误差转换技术,使得控制器能同时保证系统预设的瞬态性能和稳态性能。仿真结果表明,设计的控制算法能满足飞行姿态控制性能要求,且对外部干扰和模型不确定性具有较强的鲁棒性。     

21世纪的推进动力——RS-68

RS-68是世界上第一台基于成本作为独立变量(CAIV)而研制的液体推进系统,也是美国自20年前航天飞机主发动机(SSME)以来获取飞行许可的第一种新型发动机.洛克达因公司在一次性使用的推进系统方面具有超过50年的悠久的、成功的历史,如红石超过85次的飞行、宇宙神超过569次的飞行、雷神/德尔它超过669次的飞行和土星/阿波罗的一、二、三级超过32次的飞行.当然,还有超过300台SSME的发射和一百万秒的试验这样无可匹敌的、可重复使用发动机飞行历史.     

“西北风”导弹推进系统

“西北风”导弹推进系统由两级固体发动机组成:一台用于发射;一台用于飞行。本文介绍该推进系统的主要要求、设计特点和飞行发动机壳体的缠绕工艺,以及为验证发动机和研究该推进系统性能而在特定环境条件下所进行的全部试验。     

航天运载固体发动机的应用研究

本文提出了固体发动机用于航天运载的两个方案:全固体方案和液体芯级固体助推方案.对固体火箭发动机的可靠性、安全性和成本等问题作了详尽讨论,并与液体火箭发动机作了比较.     

对现役和未来运载器的液体发动机研制的评价方法

按主要发动机和推进剂的参数,以及它们在运载器上的应用,叙述了现有各种供大型运载器用的液体发动机.讨论了在具体的发动机研究项目中的预研、早期的研制方式和发动机技术的成熟性,包括了取得的经验.对新型发动机,包括能支持下一代运载器的改进的和新构想的发动机,以技术为重点作了说明.介绍了为降低潜在的研制风险所需要的技术成熟程度和发展,以及在性能、可操作性、重复使用性、可靠性和生产性上预期能取得的收获.建立了技术上分等的方法,其中包括以效益函数表示的相对运输系统寿命周期费用(LCC).这一方法在确定初步但及时地对各种技术的费效比作等级评定是有用的.方法学采用了无量纲形式的常规费用估计比值(CER).引进新推进系统技术上取得的运输系统相对总效益,是从包括运载器操作和发射设施的主要运输系统各部分的递推和非递推费用中得出的.对某些高发射率的模型中的几种候选运输系统发动机方案及有关技术排出了高低等级.     

垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的挑战

运载火箭采用垂直着陆方式实现重复使用的需求对火箭各分系统提出了新的挑战,而动力系统面临的挑战最大。垂直着陆重复使用运载火箭要求发动机提供正常的上升段推力外,还需提供运载火箭子级垂直着陆回收过程中的平稳减速力和稳健控制力,因而要求发动机具备可重复使用、大范围推力调节、二次起动、适应回收环境等多种能力,并具备较低成本。本文介绍了美国SpaceX公司开展FALCON 9系列运载火箭一子级垂直着陆回收技术研究和相关飞行试验的最新进展,研究并提出了垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的需求。     

未来航天运输系统的可靠性和安全性问题

从载人航天和多次重复使用的角度对未来航天运输系统的可靠性和安全性进行了探讨.运载火箭通常把可靠性指标作为系统可靠性设计的主要依据.重复使用对航天系统设计有很大的影响.为了具有高可靠性,未来的航天系统将普遍采用冗余技术和降额技术.应急处理、救生和故障检测等是载人飞行必须优先考虑的问题.航天运输系统安全性还包括:系统工作性能变化的影响分析;能源隔离;有毒介质、材料和废气的处理;损伤危害程度分析;应急情况下的各种解决途径.     

以RD——0120发动机为基础的可重复使用火箭动力装置

美国和俄罗斯在国际上首先开展了低成本运载有效载荷到轨道的研究工作。政府和火箭承包商正在论证和研究未来低成本运载火箭的关键特性,低成本运载火箭的两个关键特性是火箭的可重复使用性和火箭发动机的可操作性。由化学自动化设计局设计生产的 RD—0120 LOX/LH_2发动机已经分析验证了的高性能和先进的可重复使用性,使它成为可重复使用运载火箭(RLV)动力装置的关键候选对象之一。这个高室压(21.86MPa)、高性能(真空比冲4466.9m/s,真空推力1961.67kN)的分级燃烧发动机已经在能源号重型运载火箭上成功地完成了两次飞行。研制期间,发动机的长寿命、推力范围、节流和连续工作时问等特性都经过了验证。这些都是低成本、高可靠、可重复使用推进系统的要求。双组元的 RD—0120发动机通过更换富燃预燃室和增加一个煤油涡轮泵也可以很容易的改造为一个可靠的低成本三组元发动机。为了验证这个双组元发动机高的可操作性和可重复使用性,一个由航空喷气公司、化学自动化设计局和 NASA 马歇尔空间飞行中心合资生产,用于可重复使用运载火箭和单级入轨火箭动力装置的国际计划及三组元发动机可能的关键特性设计正在进行。本文对现在的 RD—0120发动机可操作性和重复使用性的改进进行了阐述。而且对如何更进一步地改进,使 RD—0120发动机成为可重复使用运载火箭推进系统的理想候选对象进行了研究。另外,已经草拟了研制三组元的 RD—0120发动机的研制计划,主要是一个高置信度的飞行演示火箭。     

我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考

重复使用是降低航天发射成本的重要途径之一,是液体火箭发动机未来发展的重要方向。本文分析了可重复使用液体发动机的发展趋势,针对可重复使用运载器对发动机功能的需求,探讨了动力系统方案;对比了液氧煤油和液氧甲烷等推进剂组合和不同循环方式,认为几种发动机方案均可满足重复使用运载器的需求;研究了重复使用发动机的关键技术,提出应重点研究可重复使用液体火箭发动机高温组件热结构疲劳寿命评估及延寿技术、运动组件摩擦磨损技术、结构动载荷控制与评估技术、快速检测评估与维修维护技术、健康监控与故障诊断技术、二次或多次起动技术与大范围推力调节技术等。     

先进固体火箭发动机的喷管研制

为进一步提高先进固体火箭发动机(ASRM)的性能、可靠性和飞行安全性,采用更简化、更坚固的设计,在出口锥后段采用低密度碳布酚醛(LDCCP)和轻质柔性密封减少了相当可观的质量.缩比、原型、改进和鉴定的发动机试验将用来发展和验证材料、工艺和设计.     

固体火箭推进剂——西欧发展情况

详细介绍西欧各国研制固体火箭推进剂的情况及其进展.对双基推进剂,包括浇注双基推进剂、压伸双基推进剂、复合改性浇注双基推进剂和复合推进剂,以及一些粘合剂的特性和发展分别作了叙述.探讨在固体推进剂中加入硼粉后性能的改进以及所带来的问题.今后固体推进剂发展的重点将是:提高总固体含量,进一步提高燃速,改进药柱的力学性能,降低温度敏感系数,以及降低推进剂成本.     

一种未来大型天地往返运输系统平台气动方案

针对未来低运行成本、可直接水平起降、重复使用的大型天地往返运输系统平台飞行器研制所需重点解决的全速域气动力性能需求与气动热防护匹配等难题,分析了典型航天飞机方案所存在的能量运行缺陷等主要问题及可能的改善方案。基于放宽气动热防护设计、涡轮/冲压/火箭发动机三动力组合、嵌套式旋转机翼全速域变体、在爬升阶段将飞行动能转化为高度势能以及再入阶段“跳跃式”盘旋减速飞行轨迹控制等设计思想,从能量损失速率控制和回收利用等角度出发,开展了一种新型大型天地往返运输系统平台气动布局概念设计研究。全速域气动力/热性能工程估算以及内/外流整体气动效能初步分析结果表明,该方案可有效满足整个飞行包线内的升重平衡需求,相比航天飞机方案具有显著的整体气动效能优势,值得进一步开展深入研究。     

洛马公司开始可重复使用火箭发动机试验

据美国航空周刊网站2012年4月17日报道,洛马公司已开始进行美国空军重复使用助推器系统（RBs）验证器火箭发动机热点火试验。较小尺寸的RBS样机是在美国空军研究实验室（AFRL）的RBS飞行和地面试验（RBS-FGE）计划中研制的。AFRL将在此样机的基础上研制更大型的验证器,最终在2025年前为改进一次性运载火箭系列提供全尺寸的重复使用助推器。RBS包括垂直发射重复使用的第一级和一次性使用的第二级,与传统的德尔他-4和宇宙神-5火箭相比,其发射成本可降低50％以上。     

1984年美国固体火箭推进技术的成就

1984年美国在空间、战术、战略固体火箭推进技术方面有以下一些成就:航天飞机航天飞机的固体发动机,飞行性能仍然良好。发动机部件的回收、修复和重复使用,仍然达到了预期要求,有些部件已经飞行了三次。石墨纤维缠绕壳体的开发工作已取得相当大的进展。航天飞机固体助推器如使用这种壳体,可使从范登堡美国空军基地发射到低地球轨     

固体火箭发动机性能天地差异性探讨

在利用飞行遥测参数反算固体火箭发动机性能过程中,存在诸多的因素影响发动机性能计算结果。对末级发动机飞行遥测性能反算的两种方法及影响因素进行了分析,对发动机性能天地差异性进行了探讨,结合某末级发动机遥测数据对各因素的影响程度进行了定量分析,重点关注了具有不同变化规律的结构质量因素。结果表明,末级发动机反算性能对弹体起飞质量很敏感,发动机附加质量、沉积质量的影响约为起飞质量的1/2;对该发动机而言,流量变化和附加质量的影响程度分别为0.15%和0.36%以内;而发动机过载条件下的沉积问题还需更深入的研究。     

液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想

讨论了液氧/烃三组元推进剂助推发动机的设计思想,这种液氧/甲烷助推发动机的初步设计还使用了液氢.试验表明,液氧/甲烷/液氢三组元推进剂发动机具有燃烧稳定、燃烧效率高、冷却性能好、能与铜合金燃烧室壁很好兼容等优点,因而可消除或大大减少设计可重复使用的高压烃类助推发动机时可能出现的风险.     

上面级飞行试验用H2O2/JP-8火箭发动机的催化剂床不稳定性

轨道科学公司和美国空军研究实验室所属的军用太空飞机技术规划办公室共同获得了NASA马歇尔空间飞行中心(MSFC)上面级飞行试验(USFE)项目合同.轨道公司正在设计研制一种廉价的新型液体火箭,火箭采用压力供应系统,推力为4,540N(10,000磅),推进剂为H2O2/JP-8.在NASA Stennis太空中心(SSC)进行的上面级飞行试验用燃烧室热试车时,当H2O2流量达到设计流量的1/3时,催化剂床发生了低频不稳定.本文介绍了上面级飞行试验催化剂床、燃烧室及其工作情况;讨论了催化剂床不稳定动力学;还介绍了用计算机动态模型模拟再现催化剂床的不稳定现象的情况.该计算模型建立在SSC试验数据的基础上,旨在探索解决催化剂床发生不稳定问题的可能方法.最后介绍了对催化剂床不稳定问题采取措施后,燃烧室的结构及其稳定工作情况.     

单室双推力固体火箭发动机的现状和动向

从单室双推力固体火箭发动机的应用、性能、推进剂、壳体材料、成型工艺、推力矢量控制等方面着手,讨论这种发动机的技术现状、应用情况和发展趋势,并同单室单推力发动机作了详细的对比.给出了国内外若干种主要单室双推力发动机的性能数据.今后发展动向:多数单室双推力发动机仍将以采用端羟基聚丁二烯推进剂为主;少烟无铝复合推进剂和微烟的硝胺类改性双基推进剂的应用将会有所增多;发动机壳体仍以采用超高强度钢为主;加快使用推力矢量控制装置.     

国外可重复使用载人飞船发展现状与关键技术研究

载人航天未来的发展面临着能力和效益的挑战,发展可重复使用载人飞船技术是降低载人航天任务成本的重要手段之一。文章对可重复使用载人飞船概念进行了探讨,给出了系统级可重复使用和部件级可重复使用载人飞船的含义。研究了全生命任务周期中载人飞船成本与可重复使用次数的关系,结果表明:可重复使用载人飞船在经济性上较一次性使用载人飞船有明显优势,且可重复使用次数达到10次以上时,能够使成本趋近于最低。对国外可重复使用载人飞船发展现状和主要技术指标进行了分析,并对发展可重复使用载人飞船所须攻关的关键技术进行了梳理。以上研究内容可为我国发展可重复使用载人飞船技术提供参考。     

双燃料地球入轨运载工具的火箭喷管膨胀比分析

可完全重复使用的地球入轨运载工具终将扩大现有运载工具如航天飞机的运载能力,甚至取而代之.我们已对两种运载工具进行了讨论.一种是单级运载工具,另一种是两级平行燃烧运载工具,它们在起飞时都同时采用烃和氢发动机,到达轨道前,烃发动机熄火,由氢发动机推进来爬升到轨道.在以前的研究中,航天飞机主发动机(SSME)是采用氢发动机和双位喷管,喷管膨胀比为40和150.