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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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 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。

                               
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△ 用于行星探索任务的VTVL飞行器

joki 发表于 2018-4-26 09:19 | 显示全部楼层
Lsquirrel 发表于 2018-4-26 09:02
搞个小推力版,说不定是大推力的中间版,总不至于一步到位到十几吨推力更简单的方式是直接砍喷管,反正低 ...

看来“中间版”的说法比较深得人心。直接砍喷管,估计起飞推重比1.5+,确实太大了点。
Lsquirrel 发表于 2018-4-26 09:02 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-4-25 22:27
这几天是互相叫板么,都冒出来了。
中间这台发动机看着要小一些,翎客还有精力同时搞两款?松鼠怎么看

搞个小推力版,说不定是大推力的中间版,总不至于一步到位到十几吨推力。更简单的方式是直接砍喷管,反正低空工作面积比小一些,性能反而未必会差,不过这样推力就过剩了

joki 发表于 2018-4-26 08:32 | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-4-25 23:27
从大小上看更像是5吨级的

不过这样折腾,干嘛不直接研发一款通用的8t发动机 搞个一级7发的呢...

可能是有更大野望、但实力不足,只能循序渐进。比如下一步再搞个30吨+的,现在12.7的改为上面级。
简单算了一下,发现他们这么搞(级间比例)也不是没有道理。因为他一级只是个低比冲的燃气循环煤油机。按一级30吨、二级10吨(4:1)、一级着陆质量3吨、二级关机质量1吨计算,一级燃尽的关机速度可能也就8M+而已,预留着陆推进剂后进一步降低,再入减速开销并不算大。目前的设计粗略看是合理的。
PS:新干线1目前提的主要是LEO,SSO貌似也就提过500km。700km估计运力十分有限,优化不优化也就那样了。
pai_rld 发表于 2018-4-26 00:40 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hdcscience2012 发表于 2018-4-25 21:53
新线一号回收构型首次亮相




很奇怪啊,四大一小两种发动机?为何不只用中间那种小发并联到够呢?还是一种发动机的两种膨胀比?
9m96e2 发表于 2018-4-25 23:27 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-4-25 23:06
有可能,地面推力6~7吨,真空推力8~9吨。
按说全新研制不应该取这么大级间比,或许是有什么其他因素我 ...

从大小上看更像是5吨级的

不过这样折腾,干嘛不直接研发一款通用的8t发动机 搞个一级7发的呢...

级间比高怕是反映出干质比水平差,只能二级轻一点优化极轨运力
joki 发表于 2018-4-25 23:06 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
9m96e2 发表于 2018-4-25 22:55
从级间比来看,也可能就是二级发动机的地面版,这么短的二级布置一部13t发动机似乎太过剩了

说起来之 ...


有可能,地面推力6~7吨,真空推力8~9吨。
按说全新研制不应该取这么大级间比,或许是有什么其他因素我们没考虑到。比如,放宽了再入速度。
9m96e2 发表于 2018-4-25 22:55 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-4-25 22:47
看是谁搞了。边上的“大”发动机也就12.7吨,中间这台个位数。不过翎客的资源和人力也有限,如果只用这一 ...

从级间比来看,也可能就是二级发动机的地面版,这么短的二级布置一部13t发动机似乎太过剩了

说起来之前都还觉得NL-1级间比太大,现在二级氢氧版NG、CZ-822R这些方案冒出来之后倒是觉得不算什么了
ssizz 发表于 2018-4-25 22:54 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-4-25 22:47
看是谁搞了。边上的“大”发动机也就12.7吨,中间这台个位数。不过翎客的资源和人力也有限,如果只用这一 ...

搞不好中间这个就是研制12.7吨的过程中的中间产品。
joki 发表于 2018-4-25 22:47 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2018-4-25 22:33
中间这台小的喷管直径只有30厘米左右......这样的小煤油机不费什么功夫吧。

看是谁搞了。边上的“大”发动机也就12.7吨,中间这台个位数。不过翎客的资源和人力也有限,如果只用这一个地方有点浪费。
ssizz 发表于 2018-4-25 22:33 | 显示全部楼层
joki 发表于 2018-4-25 22:27
这几天是互相叫板么,都冒出来了。
中间这台发动机看着要小一些,翎客还有精力同时搞两款?松鼠怎么看

中间这台小的喷管直径只有30厘米左右......这样的小煤油机不费什么功夫吧。
hdcscience2012 发表于 2018-4-25 22:32 | 显示全部楼层
Lsquirrel 发表于 2018-4-25 21:57
这个中间加一台发动机的设计不错,总比长征八号那样凑合更顺眼。不知道是独立想出来的,还是受BFR启发的 ...

是啊,这个设计更国际范(SpaceX)儿
长征八号那个,也挺有创意,不知道方案还会不会改动

首飞从2018推到2020,应该是受刺激或者受到SpaceX启发了吧,方案改动挺大啊。

一院不提八院?八院也在搞,不知道哪个先实现。

发射密度越来越大,迫切需要解决的就是毒火箭残骸的定点坠落!
joki 发表于 2018-4-25 22:27 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
Lsquirrel 发表于 2018-4-25 21:57
这个中间加一台发动机的设计不错,总比长征八号那样凑合更顺眼。不知道是独立想出来的,还是受BFR启发的 ...

这几天是互相叫板么,都冒出来了。
中间这台发动机看着要小一些,翎客还有精力同时搞两款?松鼠怎么看
Lsquirrel 发表于 2018-4-25 21:57 | 显示全部楼层
hdcscience2012 发表于 2018-4-25 21:53
新线一号回收构型首次亮相

这个中间加一台发动机的设计不错,总比长征八号那样凑合更顺眼。不知道是独立想出来的,还是受BFR启发的结果
hdcscience2012 发表于 2018-4-25 21:53 | 显示全部楼层
新线一号回收构型首次亮相

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https://weibo.com/2073031193/GdLpChH11?
立体派 发表于 2018-2-14 14:56 | 显示全部楼层
一点一点长大
SPACEXEV 发表于 2018-2-14 00:16 | 显示全部楼层
最新视频是 无系的了 https://weibo.com/tv/v/G2co0FHMs?fid=1034:67f3c45ba29011c970363023c5083119&sudaref

就算最后证明是为了圈钱  这种有点技术的圈钱  比起巴铁那种没啥技术的诈骗强
hdcscience2012 发表于 2018-2-11 23:15 | 显示全部楼层
炸了……
IMG_20180211_231448.jpg
陈昕海 发表于 2018-2-10 15:29 | 显示全部楼层
回收会损耗运载力,不知是否合算
QGP! 发表于 2018-2-10 10:44 | 显示全部楼层
国内航天先能活下来再说,另外准备好足够的钱来烧,把产业链打磨好了才可能有真正的国内版的spaceX出现,美国也是经过多年积累下来的

话可能不好听,不过是事实。
郭夫子 发表于 2018-2-9 14:53 | 显示全部楼层
鱼肉百姓馆 发表于 2018-2-9 13:46
https://weibo.com/tv/v/G2co0FHMs?fid=1034:67f3c45ba29011c970363023c5083119
近期,翎客航天RLV-T3型火 ...

说实话,先别提什么追上FH,踏踏实实搞下去别关门就是胜利了。
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