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[科普资料] 翎客航天研发可回收火箭飞行试验成功

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hsq0596 发表于 2018-1-10 03:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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近日,翎客航天在山东龙口的火箭试验基地成功完成RLV-T3火箭的标称弹道飞行试验。不同于之前200多次飞行,本次试验最大突破在于实现了标称弹道全程自主飞行(A点至B点矩形弹道,即从地面起飞至地面软着陆),全程未触发外界保护措施,飞行弹道精度小于0.15m,着陆点精度小于0.2m。本次试验成功标志着翎客航天火箭低空回收技术日趋成熟,距离高空自由飞回收试验更进一步。这不仅是国内通过单台火箭发动机矢量控制实现该技术的首个案例,亦是中国在可重复发射技术方面的一个里程碑。那么现在,就让火箭哥带你们一起感受火箭起飞的震撼和回收的喜悦,一起了解RLV-T3背后的传奇故事。
详细介绍前,先让我们一起细数国内外在VTVL火箭(Vertical Takeoff and Vertical Landing,垂直起降技术)的行业前辈与经典案例,共同了解这项技术发展过程中的跌宕起伏与其所带来的新机遇。
△ 全球商业航天公司所研制的VTVL飞行器
麦道公司DC-X
要论垂直起降技术的鼻祖先驱,那可非美国麦道公司的“三角快帆”莫属。早在上个世纪80年代后期,在单级入轨运载器风云四起的年代,麦道公司就提出了垂直起降形式的方案,其目的是为了比航天飞机更加可靠,并能够提供更低的发射成本和更短的复用周期。出于这一目的,他们提出了一个小型的亚轨道原理试验样机,DC-X就此诞生。也正因为此,DC-X的设计过程中几乎不考虑任何载荷能力,而其首要目的便是为了验证垂直起降这一关键技术。
DC-X是一款使用四台氢氧液体火箭发动机并联作为动力的单级飞行器,而这台发动机正是由洛克希德马丁公司生产的RL-10系列中的一员RL-10A-5(专用于垂直起降的改进型,单台海平面推力约为6吨),同系列的发动机还用于半人马座、德尔塔IV等多款运载火箭,可谓历史悠久。在飞行过程中,通过伺服阀进行流量控制实现推力差异,最终通过差动形式来实现横向位移及姿态调整。
△ DC-X的系统图解,可见集成了那个年代的顶尖技术
DC-X从1991年开始研制,并于1993年8月实现首飞。这个直径4.1米、高度12米、起飞质量近19吨的庞然大物在1996年7月前完成了12次飞行试验,其中8次成功。虽然这样的成功率对于一个早期技术验证的型号而言并不算低,但在一次面向美国军方的飞行演示过程中,却因为着陆机构部分失效而被军方遗弃,并最终取消了该项计划。作为垂直起降技术的首次尝试,可谓是出师不利。
△ DC-X是最早的可重复使用火箭验证飞行器之一,造型十分科幻
蓝色起源Charon与New Shepard
2000年9月成立的蓝色起源可以说是垂直起降技术的忠实粉丝,早在2005年之前贝索斯就曾明确要通过垂直起降的形式实现至少三名宇航员进行亚轨道飞行试验的计划,其当时的判断仅来自对技术自身的直觉,而并不是受到XPRIZE所举办赛事的影响。
Charon作为蓝色起源首款垂直起降原理样机,是参考DC-X来进行的方案设计,通过多台发动机差动的形式来实现姿态及弹道控制。2005年3月实现了首飞,并在上升至96米后,安全返回至起飞点附近。
其第二款亚轨道垂直起降飞行器Goddard(命名是为了纪念火箭技术先驱罗伯特·戈尔德先生)在方案上沿袭上一款的设计,仍然采用多台发动机进行差动控制。2006年11月完成了首次飞行试验,并在上升至约90米的高度后安全返回。
此后,蓝色起源开始了氢氧发动机BE-3的研制工作,而该款发动机的研制不仅有效地提升了其推力量级(BE-1为8.9kN,BE-2为140kN,而BE-3则为490kN)还实现了20~100%的大范围深度流量调节。其可靠的重启能力可以说是New Shepard在2015年实现多次复用的核心关键。
作为蓝色起源的第三款垂直起降飞行器,New Shepard采用了单发动机矢量控制技术。简单来说,在着陆及悬停过程中可通过两个象限的伺服机构来实现发动机任意角度的实时控制,在加之BE-3的实时推力调节最终实现飞行器在返回过程中的姿态稳定和减速着陆。2015年4月底,New Shepard一号机实现首次试飞,并在上升至93.5公里的高空后安全返回地面,而在2016年10月前,蓝色起源使用同一枚火箭(New Shepard-2)先后完成了5次百公里级亚轨道飞行试验,并于2015年11月23日,斩获了首个进入太空的垂直起降飞行器头衔,被历史铭记。
可以说,在蓝色起源的垂直起降探索道路上,小步快跑与多次迭代是其技术方面的策略与风格,而这样稳扎稳打的方式也让蓝色起源在近几年的时间内有了坚实的基础与沉淀,厚积薄发,成为了SpaceX最为强劲的竞争对手。
△ New Shepard在德克萨斯州试验场返回时的瞬间
犰狳航天 Mod
说起美国初创型的民营航天公司,犰狳航天(Armadillo Aerospace)可以算得上是一种典型代表,由硅谷传奇创业者John Carmack于2000年通过个人出资创立。精简的工程师队伍和灵活高效的试验形式是该公司的主要特征,作为一个不到20人的火箭团队,犰狳航天在极少的投入与短暂的时间中完成了从发动机到控制系统、从总体设计到核心算法等多项技术工作。
△ 犰狳航天的试验卡车可满足系留飞行及卧式试车需求
犰狳航天创立的早期是以单人飞行器为技术主线,曾经开发过单组元四发联动的单人飞行座椅。2004年,犰狳航天开始研制单组元垂直起降原理样机,使用过氧化氢的分解产生高温蒸汽及推力,并通过燃气舵来实现伺服控制,最终实现垂直起飞及降落控制。由于其阶段过程中所研制的样机种类过多,在这里就不一一细说了。
其最具代表的垂直起降飞行器Mod,使用单台可变推力的液氧乙醇发动机作为动力源,通过矢量控制及流量调节来实现空中定点及横向位移,而该款飞行器也在2008年的XPRIZE大奖赛中实现了异点垂直起降目标,并斩获35万美元的最高奖项。
尽管2013年后犰狳航天因为创始人的资金投入原因而处于停滞状态,但其在早些时期所做的有关于垂直起降方面的技术尝试,仍然为后人留下了大量可以借鉴的经验基础。
△ 犰狳航天的Mod垂直起降火箭
马斯腾空间 Xombie
除了犰狳航天外,另一家美国民营航天初创公司不得不提,那就是马斯腾空间(Masten Space System),作为当年与犰狳航天在XPRIZE中一战高下的强劲对手,其在垂直起降技术方面所积累的经验不容小觑。
成立于2004年的马斯腾空间同样是商业航天初创公司中的代表,小而精的做事风格使得马斯腾在垂直起降技术领域至今仍然有着受人瞩目的行业地位。该公司不仅以极其精准(16cm)的落地精度摘得了XPRIZE 赛事2009年度的桂冠,还凭借其垂直起降方面的技术积淀得以与军工巨头格鲁曼一同进行DARPA的XS-1计划。
△ 马斯腾空间的垂直起降飞行器Xodiac可以高频进行悬停试验
Xombie作为马斯腾公司的最新垂直起降样机,已作为试验平台用于测试视觉自主着陆系统。其动力系统使用的是液氧-异丙醇体系的变推力火箭发动机,额度工况下可产生约4kN的海平面推力。同样通过矢量控制及流量调节来实现空中定点及横向位移。
这样体量的试验平台可以为高频的试验提供硬件基础,曾有视频显示,马斯腾在短短一个小时内就可以完成5次悬停试验来尝试不同的算法及参数。这样高频的试验机会,可以快速缩短技术迭代过程中所需的周期。
△ 用于行星探索任务的VTVL飞行器

joki 发表于 2018-1-14 11:03 | 显示全部楼层
hsq0596 发表于 2018-1-14 10:17
靠这个当起飞级,一级干质比会很难看吧

看具体设计吧,不过万一比现在更差也不用太意外,就这么个底子。
没准十年后六院有新甲烷机搞出来,可能也就不用这个了,现在没得选。
joki 发表于 2018-1-14 11:00 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 00:35
体制内我只对电子工业比较了解,技术水平且不说,思路上我们一直不落后。再举一个航空的例子,611在最困 ...

你说的这两个行业,有自己的特点,就是强竞争性。武器基于对抗性需要,落后就要挨打,底子再烂也得想办法硬刚。有F22的威胁,这才有J20的努力。具体院所表现有差异,但没人还说我就歼六万岁。无人机也是美国在前面引领技术潮流,只不过他们自缚手脚不接地气。国内也是在引进以色列技术以后得到了较大发展,通过差异化竞争(便宜、没出口预设条件)取得较好成绩。运载火箭在Spx出现之前,老古董(Soyuz)都活的风生水起,俄国航天业到现在都很难说是纯粹败在价格竞争下。国内如果不是有载人航天空间站、探月计划拉动,连新一代火箭研制都动力不足。九十年代流失了大批骨干,近十年投资向武器倾斜,再次面临类似窘境。
至于电子产业,5年前的世界领先水平现在能干嘛,还用操心什么思想问题。
同样是一波人,搞无人机嗅觉敏锐,搞火箭思想问题重重。航天切入无人机市场,忧国忧民是其次,主要是有钱赚。3年前启动搞VTVL预研,没有预算市场前景不明,自己垫资要冒领导决策风险。这不Spx搞成了,以复飞成功为标志,八院不就开始搞了么。虽然CZ6报价千万,复用一级以后成本可能减个三成、运力掉个三四成,很可能根本省不了钱吧。
 楼主| hsq0596 发表于 2018-1-14 10:17 | 显示全部楼层

靠这个当起飞级,一级干质比会很难看吧
supsauce 发表于 2018-1-14 00:35 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-14 00:22
既然说到这个份上,只能说,在体制内干过,你就能理解。不是你想创新就能创新的。钱也不是你想怎么花就能 ...

体制内我只对电子工业比较了解,技术水平且不说,思路上我们一直不落后。再举一个航空的例子,611在最困难的时候也没放下预研,不然哪里能抢得下四代机,J-20又哪里能这么顺利;航天搞彩虹无人机难道还是型号牵引?

当然航天确实有悲催的地方,但我看运载火箭发展不好干部思想水平不能说一点问题没有

joki 发表于 2018-1-14 00:22 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 00:14
我并没说降落伞和翅膀不好,我的意思是技术路线探索现在才做已经是晚很多了。这东西也花不了多少钱,技术 ...

既然说到这个份上,只能说,在体制内干过,你就能理解。不是你想创新就能创新的。钱也不是你想怎么花就能怎么花的。需要一个靶子或目标做牵引。
对与战略武器分家的火箭而言,痛苦之处就在于需要为自己的生存找理由。从这一点看,也是翎客们带给我们的希望。
supsauce 发表于 2018-1-14 00:18 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-14 00:14
无所谓啊,都是爱好者,讲讲自己的想法而已,何必在乎输赢。总得引点话题,难不成自说自话,还是一句噎 ...

无所谓输赢,这种事情大家无非都是希望航天能发展好而已
supsauce 发表于 2018-1-14 00:14 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-14 00:07
因为不同行业专用技术有差异,进展不同。别的不说,国内航空工业运用铝锂合金已经有年头。然而储箱用铝锂 ...

我并没说降落伞和翅膀不好,我的意思是技术路线探索现在才做已经是晚很多了。这东西也花不了几毛钱,技术积累不就是这么来的吗。如果当初蓝源开始搞的时候我们足够敏感是不是现在至少能省下三年时间
有翼构型做复用航空比航天积极多了,验证机全是航空的

航空先进材料运用比航天领先可怪不到航空头上去吧,自己当初不积极向这个方向探索,也不是说没有条件
joki 发表于 2018-1-14 00:14 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
3431 发表于 2018-1-14 00:12
我感觉你这是在帮对手找论点\……


无所谓啊,都是爱好者,讲讲自己的想法而已,何必在乎输赢。总得引点话题,难不成自说自话,还是一句噎死。
要是时间证明我是错的,翎客将来能拳打科技脚踩spx,我高兴还来不及,呵呵。
3431 发表于 2018-1-14 00:12 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-14 00:07
因为不同行业专用技术有差异,进展不同。别的不说,国内航空工业运用铝锂合金已经有年头。然而储箱用铝锂 ...

我感觉你这是在帮对手找论点\……
joki 发表于 2018-1-14 00:07 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 23:48
这锅不见得都能甩给工业基础,因为并不是发动机或者雷达这种特别综合的东西,更多的是单项技术。而且同样 ...


因为不同行业专用技术有差异,进展不同。别的不说,国内航空工业运用铝锂合金已经有年头。然而储箱用铝锂合金牌号不全,到现在连焊接工艺尚未过关。航空复材好坏不说,运用也比航天领先。
国内探索伞降和有翼构型我不认为是什么纠结的问题。这跟眼光没关系。一个公司追求一种技术路线是正常选择。一个国家就有一条路么?本身技术路线就有很多种,这种事情不能人云亦云,基础不同未必别人好的路线也适合自己,追求全套体系的大国本来就应该全部有一遍。伞降的初衷是减小落区,其次才是复用探索。有翼构型是将来空天飞机基础,哪个能省?
VTVL国内突破是早晚的,但是悲催的结构水平加上复用运力损失,短期内整体上是不会有什么明显竞争力的。南橘北枳的事情也不是今天才有。现在就是练手而已。
八院基础比翎客强大,但毕竟起步晚两年,必要的工程周期还是要的,又不是今天说做,明天验证机就上天,怀胎还得十月。何况没公布就代表没验证机么?2020就要突破,现在不搞验证机纯模拟上马?我们不能用有限的信息做结论。
supsauce 发表于 2018-1-13 23:48 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-13 22:14
不保守干质比也好不了多少。这涉及结构设计、材料、理论基础,工业基础底蕴的东西其实是差距最大,最难赶 ...

这锅不见得都能甩给工业基础,因为并不是发动机或者雷达这种特别综合的东西,更多的是单项技术,就算材料可以甩锅设计总是自己的问题吧。而且同样是材料设计理论基础都不行,我们一样发展出了很好的雷达和飞机。其实要不是因为有一个611,601一样可以把自己搞不出好飞机推到工业基础上去,科技就是缺乏竞争。

其实这些年对VTVL的反应本身就是一个很好的说明技术眼光不行的例子,blue origin什么时候就做VTVL的验证机了,我们现在还在纠结降落伞和翅膀。你说发动机和箭体做不来就算了,难道像翎客这样做个验证机还做不来
我爱6S 发表于 2018-1-13 23:47 | 显示全部楼层
看上去依旧是个骗子公司吧。
3431 发表于 2018-1-13 23:18 | 显示全部楼层
ziluolan 发表于 2018-1-13 12:28
多鼓励!  所有的尝试都是值得的。
骗不骗的,又骗不到你的钱。

对 热烈祝贺 话又说回来 它要是真上市我倒是可以考虑买点股票支援#滑稽
joki 发表于 2018-1-13 22:14 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 21:29
发动机也许是真没办法,但如果以前没那么保守,干质比可能不会差这么多

不过世上没后悔药吃,科工和民 ...

不保守干质比也好不了多少。这涉及结构设计、材料、理论基础,工业基础底蕴的东西其实是差距最大,最难赶超的。
科技就不说了,科工复合材料固推燃料占比约比0.92,倒是接近ESA的水平了,但离世界纪录0.95还差多远。翎客倒是不保守,但新干线的指标反推这结构水平。。。
supsauce 发表于 2018-1-13 21:29 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-13 21:22
反应是慢(比翎客起步晚1~2年),好在比ESA快点,但还是后半程无力的节奏,基础差距使然。反应慢一部分是 ...

发动机也许是真没办法,但如果以前没那么保守,干质比可能不会差这么多

不过世上没后悔药吃,科工和民企进来确实是大好事。
joki 发表于 2018-1-13 21:22 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 19:28
我主要是在抱怨科技的步子太小,反应太慢。低成本发射很可能带来一次太空开发的大变革,我们已经太慢了。 ...


反应是慢(比翎客起步晚1~2年),好在比ESA快点,但还是后半程无力的节奏,基础差距使然。反应慢一部分是目前市场垄断缺乏竞争、创新动力不足等等老生常谈的问题,但更多是技术问题。以目前的结构水平抄VTVL,能不能低成本真是要打问号的,不是Spx行大家就都行。翎客就不说了,光脚的也没心理负担,何况实际指标更低。八院即便2020实现CZ6 VTVL突破,依然是象征意义大过实际意义。突破原理以后,结合技术的实际进展搞,是今后十年的重点。急也没用,这就是现实。
国内商业航天在这么孱弱的基础上发展是很不容易的,首要目标是活下去,某些细分市场取得竞争力就很不容易。全面逆袭某某黑店的想法,等10~20年后再看看,Spx这么传奇也花了十多年。
supsauce 发表于 2018-1-13 19:28 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-1-13 18:14
翎客VTVL争第一不说完全没有可能,但说实话概率不高。首先是标准不一致,翎客第一款复用火箭什么指标(一 ...

我主要是在抱怨科技的步子太小,反应太慢。低成本发射很可能带来一次太空开发的大变革,我们已经太慢了。现在还是不够重视,从民用角度讲,等人家在火星建基地的时候我们要是还被困在地球轨道上乐子可就大了;从军事角度讲,等到人家发射一颗卫星的成本和你一颗中导/反卫星弹差不多的时候什么撒手锏都成了扯淡。以前保守一些不大有所谓,反正基本算是够用,这个时代继续保守下去可是要命的
joki 发表于 2018-1-13 18:14 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 16:02
八院这个项目把甲烷机一杆子支到35年去了,我看甚至未必比翎客快(要是翎客真搞成了的话)
到时候SpaceX ...

翎客VTVL争第一不说完全没有可能,但说实话概率不高。首先是标准不一致,翎客第一款复用火箭什么指标(一次性200~300kg,复用100kg),八院复用CZ6(复用300kg+),这还没算前者是300~500km轨道、后者是700km的SSO,而且考虑二次点火的话,CZ6复用还能做到600kg以上。其次,八院第二款甲烷复用虽然进度慢,除了技术问题和院所定位外,主要是突出了复用次数和周转整备速度,从基础设计上就考虑复用标准,目标复用20次以上。现有火箭改复用能做到5次就不错了,可以参考spx的F9现在才复用几次、周转时间多久。最后一点关键是,翎客只说新干线2020首飞,没说是不是同时突破VTVL啊,所以还得看疗效。话说回来,翎客的表现值得鼓励,借助商业企业决策快包袱小的优势领先起步(2014),有望最早突破。对体制内院所是个良性刺激,开始具备做鲶鱼的资格。但要说现在就能硬刚体制内院所,夸张了。别的不说,八院能利用CZ4搭载验证。翎客什么时候测试高速再入和格栅翼。他们打算今年大号的亚轨道构型突破卡门线,先祝好运吧。
supsauce 发表于 2018-1-13 16:02 | 显示全部楼层

八院这个项目把甲烷机一杆子支到35年去了,我看甚至未必比翎客快(要是翎客真搞成了的话)
到时候SpaceX的火星船怕是都出来了哟
joki 发表于 2018-1-13 15:41 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hsq0596 发表于 2018-1-13 12:12
第二步,上海航天团队将研制全新的甲烷动力重复使用运载器,进行大系统全流程飞行试验,全面验证子级回收 ...

可能就是YF77M
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