近太空可回收科学实验平台为人类的空 间科学实验带来更多的可能性,目前国内近 太空可回收科学实验平台主要以一次性使用 的固体探空火箭为主,因投入成本高、科学 试验载荷不可重复、试验子样少等现实层面 的诸多因素,无法实现对相关行业的发展起 到“加速器”的作用。
空天飞行科技中心依托中科院的雄厚的 科研实力,凝聚科研人才,共创研制团队, 面向行业迫切需要解决的问题,全面拥抱新 技术方向,采用液体火箭可重复使用技术, 近太空可回收科学实验平台,提供具有长留 空、高量级的微重力实验环境,开展微重力 环境下复杂流体流变行为、大气同位素测量、 界面现象与空间微纳制造等微重力实验技术 研究等工作。
整个研制团队在中心领导班子的有力带 领下,通过专项技术攻关和飞行演示试验, 集中突破可回收原理样机总设计技术和垂直 返回高精度制导控制技术。在可回收原理样 机总体设计技术方面,将完成飞行过程力、 热环境的精细辨识与预示、重复使用运载原 理样机总体优化设计技术等专题研究。在垂 直返回高精度制导控制技术方面,将完成再 入返回高精度导航定位技术、运载原理样机有动力垂直回收在线轨迹生成制导技术、复 杂环境的自适应飞行控制技术、海上晃动平 台的初始对准及长时跟踪技术、飞行全程的 半实物验证技术的验证工作。
目前处于研制阶段的近太空可回收科学 实验平台火箭的发射成本将随着试验次数逐 渐降低。同时,参加科学试验的设备也可以 重复使用,这些都将大大提高近太空科学的 探索和试验效率,助力相关企业和科研单位 构建近太空科学探索的新应用模式。
三步走的研制策略
近太空可回收科学实验平台的研制通过 “地面试验-原理样机飞行-飞行试验”的 三步策略,已于 2021 年 3 月在山东海阳东方 航天港完成百米级(回收精度厘米级)垂直 回收飞行。计划 2023 年 1 月在山东海阳东方 航天港完成公里级垂直回收飞行,并于 2023 年底进行飞行试验。
2021 年 3 月百米级垂直回收飞行实现亚米级精度
2022 年 12 月垂直回收样机飞行试验
2022 年 12 月垂直回收样机飞行试验
研制团队通过原理样机突破了一批关键 技术,包括:双矢量推力分时启动技术、大 时延差动前馈姿控技术、多站差分定位通信 技术、大径高比液位晃动主被动抑制技术、 主站集成分布式主控软件技术、轻质大传力 比机构设计技术、基于多项式 / 凸优化的在 线轨迹规划技术,为近太空可回收科学实验 平台奠定了坚实的技术基础。开展多项地面 试验,低温水平试车试验、六分量推力矢量 测力试验、双发垂直点火试验、差分组合导 航收星 / 跑车试验、贮箱晃动抑制试验、系 留试验、滚转控制干扰试验、低空悬停飞行 试验。通过项目研制不仅积累了大量地面和 飞行试验数据,还组建了一支拥有各专业稳 定实干的设计师队伍,形成了高效协同的设 计模式。
(一)已经完成的重要试验
1、发动机全系统试车试验
在中心的指导下,由中科宇航公司研制 的“玄鸢一号”20 吨级液氧煤油火箭发动机 已完成发动机全系统试车试验,本次热试车 主要验证发动机点火系统结构优化改进后的 方案可行性、点火可靠性和系统匹配性。各 项试验数据表明点火方案合理可行、性能指 标满足设计要求,为可多次启动发动机的研 制提供了强大支撑。
发动机全系统试车
2、增压输送系统全系统冷流试验
增压输送系统全系统冷流试验是将增压 系统、贮箱、输送系统全部结合到一起的全 系统大型试验,是系统中各产品状态确认后 的系统级试验,该试验是增压系统和输送系 统的首次合体。在全系统冷流试验中,用水 代替液氧和煤油推进剂,采用液体孔板限流 的方法, 完成了液氧、煤油系统的全部试验, 包括正常工况和模拟各种故障工况,积累了 大量的试验数据。增压输送系统全系统冷流 试验验证了增压输送系统方案正确性和匹配 性,在增压过程中获得气瓶和气枕压力、温度变化规律,电磁阀工作情况和系统响应时 间,并验证飞行控制系统、测发控系统的控 制逻辑正确性及可靠性。
增压输送全系统冷流试验
3、舱段系统振动试验
舱段系统振动试验包括仪器舱-末修系 统联合振动试验和发动机气瓶舱-发动机系 统联合振动试验,主要通过振动台试验系统 施加基础激励,模拟近太空可回收科学实验 平台在飞行过程中经历的力学环境,能够暴 露潜在的设计缺陷。通过这两个系统级振动 试验,有效验证了发动机、仪器舱、发动机 气瓶舱、全箭航电单机、末修系统、二次启 动系统、伺服系统、增压气瓶管路系统等关 键部段和系统的环境适应性满足飞行要求。
舱段系统振动试验
同时也考核全箭各系统的接口协调的匹配 性,为后续的飞行试验奠定了坚实基础。
(二)即将开展的重要试验
1、加注泄出试验
加注泄出试验是涵盖箭上加注系统和地 面加注系统、验证加注系统匹配性和加注方 案正确性的一项系统性试验。箭上加注系统 包括加注管路、吹除及气封管路、加泄阀及 其控制气管路、排气阀及其控制气管路、保 险阀、贮箱及绝热设施;地面加注系统包括 加泄连接器、加注撬、加注储罐、低温管路、 控制及吹除管路。使用液氮模拟低温液氧, 按照箭上加注流程进行试验,保证加注的准 确性及安全性。
2、动力系统试车试验
动力系统试车试验是近太空可回收科学 实验平台在正式开展飞行试验前最重要的一 项试验,即将试验平台固定在地面上完成进 行“飞行”。除了箭体被固定在地面外,整 个试验流程、参试设备和正式飞行完全一致, 是对全箭各系统及地面发射支持系统的全面 考核。通过动力系统试验考核,将证明近太 空可回收科学实验平台具备开展飞行试验验 证的条件。
(三)近太空可回收科学实验平台原理 样机演示验证方案
近太空可回收科学实验平台的原理样机 由可调推力发动机作为动力推进系统,样机 总长 2.549m, 直径 0.5m, 起飞 质量约为 93kg。由 2 台最大推力 550N 的涡喷发动机提供最大 1100N 起飞推力,通过两个涡喷发 动机的矢量喷管摆动进行俯仰、偏航和滚转 姿态控制,可实现公里级垂直起降的回收演 示验证飞行任务。
原理样机点火启动后,等待双发同步 工作稳定且转速响应跟随油门指令过渡过 程结束;满推力飞行至高度 1000m,侧向 250m,纵向 150m 的再入高度点;通过在线 规划实现再入点到目标落点的程序角规划; 在下降过程中实时对目标点距离和高度值进 行测量和计算,着陆前精确调整落点。飞行 过程中控制考虑导航偏差,且对高空、来流 速度及温度变化状态下发动机工作效率进行 修正和补偿,对气动力影响具有适应性。
原理样机图
原理样机主要由结构系统、控制系统、 增压输送系统三大系统组成, 机体由载人舱、 设备舱、贮箱和动力舱四个舱段组成, 其中:
1) 载人舱模拟太空旅游项目飞船, 能够 保护有效载荷,以避免载荷受到气动力、气 压热和声音振动等不利环境的影响;
2) 设备舱放置电气设备, 电气设备与发 动机之间的电缆网铺设在穿箱电缆槽内;
3)贮箱用于贮存燃料,燃料为 95% 的 航空煤油和 5% 润滑油混合物;
4) 动力舱内放置两台涡喷发动机, 每台 发动机提供 550N 的推力,总共 1100N 的推 力,在发动机出口通过矢量喷管进行控制推 力方向实现姿态控制;动力舱侧壁上的开口, 提供发动机的入口气流。
飞行过程中,贮箱通过发动机的空气增 压端口提供增压压力, 箱内压力为 0.2MPa。 增压气管一端与空气增压端口连接,另外一 端与减压阀入口连接。通过减压阀调节压力 后,再通过增压气管输送至油箱实现增压, 增压端口处通过发动机自带连接端子实现连 接,油箱增压入口处通过密封接头连接。
控制系统采用“光纤惯组 + 差分卫星 定位(RTK) + 飞行控制器 + 矢量摆动喷 管”的整体方案。箭上设备主要采用串口通 信、采用 PWM 调制信号驱动发动机、舵 机、栅格舵等执行机构。选用光纤惯组提高 姿态精度,采用组合导航方案对 RTK 及惯 性导航数据进行融合处理,输出平滑有效的 高精度速度位置信息。对准方案采用发射场 (船体甲板)载体标示与火箭箭体坐标象限 地面结构对准方式,配合惯组自对准校核。 测控方案采用数据链输出模块,频率范围 900MHz, 数传速率最高 200kbps, 传输距离 覆盖 10km,最大功率 1W。
(四)已突破的关键技术
目前,近太空可回收科学实验平台已经 完成再入回收交接班条件确定、再入过程中大气阻力模型的建立及再入凸优化问题中剩 余时间估算等问题。在工程可实现的基础上, 对迭代方法中的约束条件提出更改,解决了 基于飞行攻角约束、速度、位置约束的完整 离散运动方程推导,实现整个飞行过程优化 求解。
基于当前箭上处理器水平,在 5s 内完成 在线轨迹规划;落点精度优于 10m,已完成 数学及半实物仿真验证;海况下晃动基座 1 小时姿态跟踪精度优于 0.01°。现已实现指 标均达行业领先水平。
再入回收原理剖面图及速度飞行曲线
征途漫漫,唯有奋斗
随着近太空可回收科学实验平台的进 展,让近太空科学探索充满了想象的空间, 利用好近太空的行业目标愿景将愈发清晰并 触手可及。
在研制过程中,团队克服困难,坚持创 新,采用敏捷开发、快速迭代的设计过程和 高集成度的飞行器整体系统方案。打造极简 的产品及服务模式,实现多项提升,满足未 来应用需求。
从初步总体方案形成后,各专业分别开 展专项试验进行验证,对分系统方案进行闭 环设计,在飞行器集成和试验环节,不断对 设计进行验证和优化。利用 3 个月时间快速形成第一版原理样机,对飞行试验中发现的 现象进行分析复现,并制定技术改进方案。 团队成员采用全回路整体迭代设计、各专业 新技术探索并行开展的敏捷开发设计模式。 能够在 1 周以内完成再次验证,经过高效迭 代,形成了最终的原理样机,性能已超出最 初的设计指标。
原理样机方案设计之初,就秉承了高度 集成、功能复用、采用新技术探索创新的设 计理念。采用供配电-控制-遥测一体化控 制系统设计、3D 打印对防晃贮箱进行设计加 工、采用轻质碳纤维结构实现承载-传力- 抑振的一体化构型。能够将多个系统的功能 进行整合复用,极大地简化了整体质量和电 缆连接,能够在同类小型化飞行器中进行应 用。
征途漫漫,唯有奋斗!空天飞行科技中 心青年科研团队具有高度的内驱力,他们将 自身对工作的热爱和对科研的热情都投入到 近太空可回收科学实验平台的研制过程中。 他们用实践证明了青年一代勇于担当甘于奉 献的社会责任,用奋斗点亮青春底色。不畏 困难,敢于攀登科学高峰,团队通过大力协 同、超常协作,在实践中创造卓越成绩,为 建成航天强国继续努力拼搏。
廉洁,空天飞行科技中心高级工程师,运载火箭可重复使用技术总体设计师。