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垂直起降可重復使用驗證飛行器介紹 - 天文探索外星ufo

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垂直起降可重復使用驗證飛行器介紹

SUNSHINEhzl發表於 2019-10-9 20:30:03
航天器垂直起降技術作為支撐太空探索的關鍵技術之一,最早出現于20世紀50年代的科幻電影中(Destination Moon,Rocketship X-M等)。

1969年7月16日Apollo登月成功,標志著人類掌握了月球垂直起降技術。20世紀末期隨著航天發射任務的逐漸增多,降低發射成本成為了運載火箭發展的方向之一,回收火箭並實現多次使用是大幅降低發射成本的重要途徑。90年代提出的火箭單級入軌技術是火箭重復使用技術的原型,包括垂直起飛-垂直降落(VTVL)、垂直起飛-水平著陸(VTHL)和水平起飛-水平著陸(HTHL)三類[1]。美國和甦聯設計的航天飛機實現了VTHL,但其高昂的研發、制造和修復費用並沒能實現降低發射成本的預期。直至2015年12月22日,美國SpaceX成功回收Falcon9火箭助推級,並通過對助推級的重復使用,實現了降低發射成本的目的。

各國航天機構和公司為提升運載火箭在商業航天國際發射市場中的競爭力,均在積極開展垂直著陸關鍵技術研究工作。本文將簡要介紹各國研發的垂直起降驗證飛行器和技術驗證情況。

三角快帆(DC-X)

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圖 1 DC-X飛行器

三角快帆(Delta clipper experimental, DC-X)是美國麥道公司(McDonnell Douglas)研制的飛行器,高12m,底部直徑4.1m,重18900kg,采用四台RL-10A-5液氫液氧發動機提供推力,每台發動機推力60kN,推力調節範圍30%-100%,是世界上第一艘以火箭動力進行垂直起降的可重復使用運載器[2]。從1993年8月18日DC-X首次試驗成功,至1996年7月共開展12次飛行試驗,最大飛行高度2500m。該項目的研究成果為運載器重復使用,火星定點著陸奠定了堅實的基礎。

Xombie

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圖 2 Xombie飛行器

Xombie火箭是Masten Space System公司為可重復使用VTVL技術研制的驗證火箭,推力調節範圍[1.5kN, 3kN],參與了NASA組織的月球著陸器挑戰賽獲得第一名,著陸精度達到16cm[3]。作為NASA自主上升與下降動力飛行驗證平台(Autonomous Ascent and Descent Powered-Flight Testbed, ADAPT)的飛行器,完成了大範圍轉移燃料最省制導技術的驗證(Guidance for Fuel-Optimal Large Diverts, G-FOLD),成功實現了基于凸優化算法的動力軟著陸段在線軌跡規劃[4]。

蚱蜢(Grasshopper)

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圖 3 蚱蜢飛行器

SpaceX設計了蚱蜢飛行器,是Falcon9助推級回收動力軟著陸段制導控制技術驗證平台[5]。在2012年9月至2013年10月期間,共開展了8次飛行試驗,最大飛行高度744m,重點驗證了大推重比著陸技術、風干擾下的穩定技術、精確著陸導航系統、以及橫向機動能力等制導控制技術。

EAGLE

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圖 4 EAGLE飛行器

EAGLE(Deutsches Zentrum f r Luft- und Raumfahrt, DLR)是德國宇航中心(Deutsches Zentrum f r Luft- und Raumfahrt, DLR)為驗證垂直起降技術研制的驗證飛行平台,采用400N推力的渦噴發動機提供動力,可實現深度節流。驗證了低空低速下(0.5-1.2m)的制導、姿控技術[6]。後續將研制1500N推力的EAGLEXL飛行器和單組元火箭發動機,從而為在線軌跡規劃技術的驗證創造條件。

FROG

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圖 5 FROG飛行器

法國太空局(Centre National d'Etudes Spatiales, CNES)認為導航制導控制(GNC)是垂直著陸過程中最具挑戰的技術之一,因此研發了兩型低成本飛行器︰基于400N推力渦噴發動機的FROG-T和基于1000N推力H2O2發動機的FROG-H。通過設計基于PID和最優控制(LQG)的俯仰、偏航和滾動姿態控制律,開展懸掛飛行試驗,驗證了地面支持系統,以及硬件平台、電子系統和嵌入式軟件[7]。同時,也為學生和研究機構開展算法驗證提供了低成本的驗證飛行平台。

RV-X

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圖 6 RV-X飛行器

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)為驗證垂直著陸制導控制技術研制了RV-X飛行器,高度7m,直徑1.8m,重2900kg,采用液氫液氧發動機。並于2018年開展100m高度的垂直起降飛行試驗。

CALLISTO

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圖 7 CALLISTO飛行器

CALLISTO是由CNES、DRL和JAXA聯合研發的重復使用驗證飛行平台,計劃于2020年開展飛行試驗[8]。采用JAXA研制的可重復使用液氫液氧發動機,額定推力40kN,飛行任務剖面最大高度50km,最大速度5馬赫。通過CALLISTO全面驗證垂直著陸過程氣動減速段和動力軟著陸段的關鍵技術,以及柵格舵、反作用控制系統(Reaction and Control System, RCS)、著陸支腿和主發動機等關鍵部件的驗證工作,為新一代Ariane 6可重復使用火箭提供技術支撐。

Starhopper

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圖 8 Starhopper飛行器

Starhopper飛行器是SpaceX公司為星際飛船(Starship)研制的原型測試飛行器,搭載了一台猛禽(Raptor)發動機,推力可達到200噸。該飛行器在2019年4月3日完成了首次系繩跳躍;7月25日完成了18m高的飛行試驗;8月27日完成最後一次垂直起降試驗,飛行高度約150m,水平橫移約200m。飛行試驗成功驗證了飛行器的低空穩定性,以及猛禽發動機的工作性能。

RLV-T5

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圖 9 RLV-T5飛行器

中國翎客航天公司研制了推力為3kN的液氧酒精火箭發動機,並先後研制了三機並聯的RLV-T3和五機並聯的RLV-T5飛行器,開展了多次低空起飛-懸停-著陸飛行試驗,並于2019年8月10日完成了300m垂直起降試驗。采用狀態預測神經網絡控制算法,實現了垂直起降過程中高度、速度和姿態的控制[9]。

“孔雀”飛行器

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圖 10 “孔雀”飛行器

中國宇航智能控制技術國家級重點實驗室為開展運載火箭垂直回收制導控制技術研究,研制了“孔雀”飛行器。針對火箭返回過程中最後時刻的動力軟著陸段,開展了在線軌跡規劃、高精度相對導航與制導控制等關鍵技術的研究工作,並于2018年12月9日開展了外場飛行試驗,取得成功。

CZ-2C

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圖 11 CZ-2C落區安全控制試驗

考慮到火箭返回過程中需要以較大速度進入稠密大氣,利用氣動力控制火箭到達目標著陸區上空是節省燃料的有效方法。同時,考慮到動力著陸段在較短時間內對火箭落點調節能力有限,必須要求發動機點火前火箭已處于著陸場上空。因此,利用柵格舵在保證箭體姿態穩定的前提下,控制氣動力的方向,從而在滿足熱流、過載和動壓等再入過程安全約束的條件下,提升位置控制精度,是實現火箭安全回收的關鍵技術之一。2019年7月26日,中國運載火箭技術研究院抓總的長征二號丙火箭一子級殘骸在貴州黔南布依族苗族自治州被順利找到,落點在設定的落區範圍內,標志著我國運載火箭首次“柵格舵分離體落區安全控制技術”試驗取得成功!

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