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.     

Benefits from incorporation of combined cycle propulsion

The X-33 program was initiated to develop a testbed for integrated RLV technologies that pave the way for a full scale development of a launch vehicle (Venture Star). Within the Nasa Future X Trailblazer program there is an Upgrade X-33 that focuses on materials and upgrades. The authors propose that the most significant gains can be realized by changing the propulsion cycle, not materials. The cycles examined are rocket cycles, with the combustion in the rocket motor. Specifically, these rocket cycles are: turbopump, topping, expander, air augmented, air augmented ram, LACE and deeply cooled. The vehicle size, volume, structural weight remain constant. The system and propellant tank weights vary with the propulsion system cycle. A reduction in dry weight, made possible by a reduced propellant tank volume, was converted into payload weight provided sufficient volume was made available by the propellant reduction. This analysis was extended to Venture Star for selected engine cycles. The results show that the X-33 test bed could carry a significant payload to LEO (10,000 Ib) and be a valuable test bed in developing a frequent flight to LEO capability. From X-33 published information the maximum speed is about 15,000 ft/sec. With a LACE rocket propulsion system Venture Star vehicle could be sized to a smaller vehicle with greater payload than the Venture Star baseline. Vehicle layout and characteristics were obtained from: http:// www.venturestar.com.     

我国载人登月重型运载火箭动力系统探讨

月球研究与利用是21世纪航天发展的重点之一。根据载人登月的需求,探讨了我国重型运载火箭及其动力系统的技术途径,提出研制大推力液氧/烃和液氧/液氢发动机的设想。重点论证了大推力下面级发动机的推进剂组合、动力循环方式及推力量级,认为该发动机推进剂应选择环保、廉价及高性能的液氧/烃组合,动力循环方式应采用先进的补燃循环或低成本的燃气发生器循环,推力应为4000kN左右。     

烃类推进剂航天动力技术进展与展望未来

为研究烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,对比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,简要介绍烃类推进剂航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、高性能上面级推进、无毒空间推进和吸气式推进领域的发展动态及应用状况。当前国内外航天动力系统的发展和应用情况表明,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的烃类推进剂航天动力将引领未来高性能低成本航天推进系统的发展趋势,依照中国液氧/烃火箭发动机的研制进展和技术水平,以其为核心的新型动力体系在中国未来的天地往返、载人登月和深空探测等多任务适应性方面具有良好应用前景。     

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。     

Small cryogenic propulsion unit for upper stage application

The feasibility study was conducted to use the cryogenic propulsion system for the third stage of the future H-1 vehicle. While the $\text{LO}{}_2\text{LH}{}_2$ third-stage mass fraction is less than the current solid propellant third stage, the 50% higher Isp results in a significantly higher payload. Two basic configurations of the new propulsion system were proposed: one pressure-fed system and two pump-fed systems. The first is a pressure-fed system providing a 700 kg thrust at an Isp of 441 sec with restart capability. The second is a pump-fed system, operating on an expander cycle principle. A midget turbopump with a 90 000 rpm shaft speed feeds the thrust chamber which delivers 1 ton of thrust at an Isp of 471 sec. The third proposed system is also a pump-fed design using a unique expander bleed cycle, and delivers a 1 ton thrust at an Isp of 470 sec with a turbopump speed of 80 000 rpm. The results of engine testing predict the performance feasibility of respective propulsion system designs.     

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。     

低温表面张力贮箱研究

对用于低温液氧推进剂的表面张力贮箱进行了理论上的初步分析，认为其在理论上是可以实现的。从低温表面张力贮箱的材料选择、低温推进剂引起的热应力及隔热层结构形式等方面进行了初步探讨。重点介绍了低温表面张力贮箱隔热层的结构形式及选用的隔热材料。分析了低温表面张力贮箱面临的特殊问题。     

液体火箭发动机泵动态特性水力试验研究

为了获取新一代大型运载火箭POGO稳定性分析及液体火箭发动机动力学研究等所必需的发动机泵动力学传递函数,进行了以常温水为试验介质、全尺寸降转速液氧/煤油补燃循环发动机氧泵的动态特性水力试验,对试验原理、试验模拟准则、隔离贮箱设计、激励系统设计、控制和测量分析系统设计、试验内容及数据分析方法等进行了深入探讨。通过试验成功地识别出泵的POGO动特性参数及参数的规律特点,为其他水力试验和真实介质试验储备经验。     

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。     

可重复使用运载器复合材料低温贮箱应用研究

轻质高强度低温贮箱是发展可重复使用运载器（RLV）的关键技术之一。本文论证了聚合物复合材料作为低温贮箱材料的必要性和可行性,介绍了复合材料低温贮箱的研制现状,对聚合物基体和纤维选择、设计技术、复合材料的成型及其性能测试等进行了探讨,指出了复合材料低温贮箱的发展趋势,并就我国复合材料低温贮箱的发展给出了建议。     

氢氧末级长时间滑行贮箱压力控制及关键技术分析

为通过弹道优化设计提升火箭发射圆轨道卫星的运载能力,同时提高火箭对不同发射任务的适应性,需要火箭末级具备长时间在轨滑行能力。对氢氧末级火箭而言,延长在轨滑行时间需要解决的一个重要问题是液氢贮箱压力、推进剂温度的预示和控制。结合微重力下贮箱内低温推进剂力热耦合运动特征,给出了低温火箭在轨滑行过程中贮箱压力控制的设计流程和计算方法,并通过计算分析获得了整个滑行阶段液氢蒸发量、补压气瓶需求量等关键设计参数,为工程研制提供参考。     

液氧平均流量测量研究

以液氧/煤油发动机试验中液氧平均流量测量为研究对象,主要介绍了其组成、测量原理及体积流量和质量流量的计算方法。采用分节式电容液面计测量液氧稳态平均流量,为准确测量低温推进剂流量开辟了一条新途径。为了减小涡轮流量计因水校后直接用于低温测量引起的系统误差,利用平均流量测量数据在原位进行校验。校验原理是根据质量守恒原理,以容器内测得的平均体积流量为基准,求出涡轮流量计在实用状态下的流量特性方程,由该方程提供液氧流量。     

中国运载火箭液体动力系统发展方向研究

阐述了液体动力系统发展规划研究对运载火箭的重要意义,梳理了国外运载火箭液体动力系统发展态势,初步提出我国运载火箭液体动力系统发展需求及重点发展方向规划,为我国运载火箭液体动力系统发展和航天强国建设提供参考。     

大推力液体火箭发动机研究

大推力火箭发动机是航天发展的基础,是国家高科技水平和综合国力的体现。分析了运载火箭主动力发展的现状和趋势,指出大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机是发展方向和最佳组合。提出了我国重型运载火箭大推力液氧煤油发动机和液氧液氢发动机的总体方案和主要参数,研究了两种发动机的关键技术及其解决途径。这两种大推力发动机的研制,将为我国载人登月、深空探测等重大航天活动和空间利用提供动力支撑。     

运载火箭测发控网络设计

运载火箭测试发射控制系统对数据处理能力、数据通信能力的要求越来越高。本文采用最新的网络通信技术,结合CZ-3A运载火箭测发控网络的实际设计需求和设计原则,概要介绍了运载火箭测发控网络的特点,着重从测发控网络的拓扑结构、双网卡捆绑技术、静态路由技术等五方面详细阐述了测发控网络的设计,最后通过测发控网络的功能测试验证了该设计的可靠性和先进性。     

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。     

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。     

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.     

树脂砂低压铸造工艺研究与应用

研究了树脂砂低压铸造工艺理论与原理,结合工艺试验得到了铝合金ZL104涡轮泵出口管树脂砂低压铸造工艺规范。采用该工艺规范制造的铝合金ZL104涡轮泵出口管已用于CZ-5和CZ-7运载火箭液氧煤油液体火箭发动机之中,CZ-5和CZ-7运载火箭已通过了飞行考核,液氧煤油液体火箭发动机工作正常。由此表明:铝合金ZL104涡轮泵出口管树脂砂低压铸造工艺是合理、正确和有效的。