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楼主: 空弹匣
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[其他主题] 中国探索发展可重复使用火箭

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 楼主| 空弹匣 发表于 2018-1-13 11:08 | 显示全部楼层
空弹匣 发表于 2018-1-13 11:06
翎客航天自主研发可回收火箭飞行试验成功2018-01-12 14:06:34 https://item.btime.com/m_2s21q75o1fv近日, ...

详细介绍前,先让我们一起细数国内外在VTVL火箭(VerticalTakeoffandVerticalLanding,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NewShepard
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NewShepard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,NewShepard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,NewShepard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(NewShepard-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。
△NewShepard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(ArmadilloAerospace)可以算得上是一种典型代表,由硅谷传奇创业者JohnCarmack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(MastenSpaceSystem),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。
太空探索Grasshopper
说起垂直起降技术,最能引起大众广泛关注应该就属SpaceX的“蚱蜢”火箭了。2002年成立的SpaceX虽然并不是垂直起降技术领域最早的实践者,但却是目前为止在该项技术上走的最远的民营公司。
△SpaceXGrasshopper-1类似昆虫足部的着陆机构。
作为专门用于进行原理验证的Grasshopper-1,其着陆缓冲机构可以说是深刻展现了其“实用主义”与研制规划上的单点突破方式,在几乎不考虑工业设计美感的情况下,尽可能地提高其缓冲能力,在试验同时研制的Grasshopper-2则并行开展可折叠着陆机构的优化设计。
其动力系统为单台Merlin-1D液氧煤油发动机,同样通过矢量控制及推力调节实现起飞与着陆。Merlin-1D液氧煤油发动机通过TEA-TEB(三乙基硼三乙基铝的混合物)自燃点火剂进行发动机启动,并且在其发动机系统中具有独立的点火剂储箱,相比于常用的膜腔方案,这样的设计可以满足发动机在飞行过程中的多次启动。
Grasshopper-1于2012年9月实现首次飞行,上升至离地2m的高度并进行悬停状态保持后安全返回地面。
2015年12月Faclon-9V1.1首次实现内陆着陆场的发射回收,这也是人类首次实现在完成卫星发射任务的情况下进行运载火箭一子级回收的重大里程碑,记得当年正在看发射直播的火箭哥在成功回收的瞬间激动到眼眶湿润。而这项技术成功的背后得益于SpaceX通过Grasshopper系列原理样机进行的数十次不同高度及状态的悬停试验所积累的宝贵数据,在没有前人探索的道路上,唯有脚踏实地小步快跑,在真实对象上进行技术探索与尝试才实现突破的最快路径。


tianlan 发表于 2018-1-13 11:11 | 显示全部楼层

空弹匣 发表于 2018-1-13 11:08
详细介绍前,先让我们一起细数国内外在VTVL火箭(VerticalTakeoffandVerticalLanding,垂直起降技术)的行 ...

感觉火箭落地还不太稳,需要提高的地方啊,按说不该这样啊,是不是风太大。按翎客航天说法应该是在精度范围内,那就是火箭太小看上去太显眼了
tianlan 发表于 2018-1-13 11:17 | 显示全部楼层
wsl20005 发表于 2017-11-24 11:29
我国正开展可重复使用运载火箭研究 2020年长征六号验证箭体垂直回收技术
新民网11-2409:21
来源/视觉中 ...

能够做到定点回收的话,基本上内地发射场也可以一直保留下去了,西昌不是还有一号工位没建设吗,如果距离离现有工位比较远,也可以考虑兴建嘛,那样工位之间可以并行操作,也许发射次数就又上去不少
king22 发表于 2018-1-13 12:52 | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2018-1-13 11:17
能够做到定点回收的话,基本上内地发射场也可以一直保留下去了,西昌不是还有一号工位没建设吗,如果距离 ...

西昌以后都转备用了,还修什么一号塔。
tianlan 发表于 2018-1-13 14:05 | 显示全部楼层
king22 发表于 2018-1-13 12:52
西昌以后都转备用了,还修什么一号塔。

主要是文昌也的确是太小
Redbee 发表于 2018-1-13 17:06 | 显示全部楼层
king22 发表于 2018-1-13 12:52
西昌以后都转备用了,还修什么一号塔。

备用也得新建或者改造塔,特别是能够支持新一代无毒发动机的塔
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