重复使用航天运输系统发展与展望

 航天运输系统的技术水平代表一个国家自主进出空间的能力,体现一个国家利用空间和发展空间技术的能力,维护国家的空间安全和空间利益,也是综合国力的象征。重复使用航天运输系统是降低航天运输成本、提高安全可靠性、缩短转场准备时间的理想运输工具,是未来中国航天运输系统的重要组成部分。航天运输系统从一次性使用向重复使用发展是技术发展的必然趋势,发展技术性能更先进、能重复使用的航天运输系统对于满足中国未来空间开发和降低发射成本等需求具有重要的意义。本文梳理了国外重复使用航天运输系统的发展情况,围绕传统运载火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用运载器和组合动力重复使用运载器3种技术途径,分析了中国重复使用技术发展思路和路线。     

组合循环动力在水平起降天地往返飞行器上的应用

水平起降天地往返飞行器是未来空间快速响应和低成本航天运输的重要方式,组合循环动力具备全包线飞行能力,在大气层内利用空气作为氧化剂,可大大提升发动机的比冲,是未来水平起降天地往返飞行器的首选动力系统。梳理了国内外组合动力天地往返飞行器的发展历史和现状,对比未来航天运输系统中不同起降方式的优缺点,明确了水平起降的优势及其对飞行器和发动机的要求,通过组合动力和火箭动力的总体性能分析和对比,进一步确认组合循环动力在水平起降天地往返飞行器中的应用优势。     

组合循环发动机科学研究技术路线的优化

 以高速飞机、两级入轨一级平台组合动力飞行器为应用背景,以具备开发研究和工程应用基本要素为导向,优化了水平起降、重复使用、高速宽域组合循环发动机科学研究的技术路线。比较了单一类型动力飞行器与组合动力飞行器航程和载荷能力等主要功能指标,分析了组合动力飞行器对发动机性能的需求,研究了组合动力飞行器空气动力学特性、结构质量特性和组合循环发动机核心性能随飞行速域拓宽的变化趋势,提出飞行速域上限对组合循环发动机实用化具有决定性影响。构建了技术方案、飞行器需求、技术代际递进、热障等维度的组合循环发动机技术实用化评估模型。评估表明,Ma6级组合循环发动机仍需持续探索研究;Ma4级组合循环发动机与组合动力飞行器具备实施以能力形成和实用化为目标的大科学技术计划的基本条件。分析认为,Ma4亚高超飞行平台具有重大应用价值,是重大技术代际。     

基于科技融合的组合动力飞行器技术研发管理模式

 为满足未来新型航天飞行器跨空域、宽速域、高机动飞行的需求，组合动力发动机应运而生。介绍了组合动力系统的主要类型和工作原理，分析了美国典型组合动力飞行器技术项目研究进展及管理模式，并从科技融合的角度，结合中国组合动力系统未来发展提出了相关措施建议。     

封面图片说明：先进组合动力飞行器专题

 组合循环动力技术将两种或以上的动力类型有机结合，各动力单元结构相互融合，功能相互补充，针对不同飞行阶段，采取最髙效的动力推进方式，最大限度地发挥不同动力的优点，从而大大拓展飞行器的高度-速度包线。     

临近空间飞行器相变吸热式充排气装置的设计及其性能仿真

为解决临近空间飞行器的常规被动充排气孔存在的外部高温气体回流致使舱内仪器高温失效的问题,本文创新性地提出了一种用于临近空间飞行器被动充排气系统的相变吸热式充排气装置。该装置增设相变吸热填充区域,在有效平衡飞行器舱内外压差的同时,降低回流气体温度以保障飞行器安全。通过数值仿真对该相变吸热式充排气装置进行了性能分析和结构优化,并将优化后的充排气装置应用于某临近空间飞行器快速上升、机动飞行和快速下降的完整飞行过程中。仿真结果表明：优化后的相变吸热式充排气装置的相变材料填充质量减少了约45%,装置体积缩小了约10%;优化后的充排气装置能将飞行器内外压差维持在50 Pa以下,同时将回流气体温度降到340 K以下。该相变吸热式充排气装置具有良好的泄压与降温双重性能,在航空航天领域具有较好的应用前景。     

航天飞行器管路结构的动力学强度分析与试验

航天飞行器管路呈现结构轻薄、力学环境恶劣、使用应力大、易产生低周疲劳的特点,曾多次发生飞行故障.随着航天飞行器向着轻质化、可重复使用、高可靠性的发展,对管路结构提出了由环境适应性定性考核向动力学强度定量评估转变的迫切要求.本文首先对基于Miles公式、模态均方根值等国内外管路结构动力学载荷分析方法的基本原理及其应用进行了介绍,用其指导管路结构动力学设计.其次结合工程实际,对管路结构动力学强度分析中常用的Steinberg快速评估、基于统计模型的频域疲劳分析等理论方法及技术要点进行了总结.最后结合航天领域管路结构动力学强度设计、分析与试验的研究现状,对有待于进一步开展研究的工程和科学问题进行了展望.     

形形色色的高超声速武器（四）：高超声速空间进入武器

正以空天飞机为代表的高超声速空间进入武器是一种自由地往返天地之间的运输工具。以空天飞机为代表的高超声速空间进入武器是一种自由地往返天地之间的运输工具。它可以像普通飞机一样水平起飞,也可借助火箭动力发射入轨。这种武器既能在大气层内(包括临近空间)以20倍以上的高超声速飞行,又能直接加速进入地球轨道,成为航天飞行器,返回大气层后,像飞机一样     

一种可无动力滑翔的固定翼无人机设计

固定翼飞行器主翼的展弦比是影响飞行性能的一项重要指标,大展弦比的固定翼飞行器具有良好的无动力滑翔性能,使用大展弦比固定翼无人机可在失去动力的条件下实现无动力滑翔,亦可使用较小动力进行低速巡航,是一种滞空时间较长,重复使用次数较多,且飞行稳定、安全系数较高的机型。此种机型大量用于航空摄像、灾害监测、空中监控等领域。该文介绍了一种可无动力滑翔且能携带一定载荷进行空中投放的双体式无人机的设计,并经过多次地面和空中测试证明了此种设计的可行性。     

空天高速飞行器建模技术研究

通过分析新型空天威胁目标,即空天高速飞行器的运动特性,以X-37B为例进行说明,并分析其建模难点,提出了对目标进行分阶段建模的方法.在目标不同的运动阶段,分别参照普通飞行器、弹道目标、巡航目标以及轨道目标的运动模型进行建模,给出了空天高速飞行器平台飞行段、动力飞行段及无动力飞行段具体的动力学模型,并给出典型阶段(动力飞行段)的运动模型,最后以X-37B为例进行仿真,仿真结果验证了模型的有效性.     

临近空间高超声速飞行器轨迹跟踪控制研究

临近空间高超声速飞行器在大空域飞行过程中,呈现复杂的不稳定运动模态,对控制器设计提出了较高的要求。以一种通用临近空间高超声速飞行器纵向运动模型为研究对象,在分析运动模态随飞行空域变化的基础上,提出了一种基于轨迹线性化与反演控制相的轨迹跟踪控制方法。该方法以参考轨迹为基准,采用Jacobian线性化方法动态建立系统平衡状态,采用反演控制方法对跟踪误差进行修正,以实现对参考轨迹的精确跟踪,并通过 Lya-punov方法分析了系统的稳定性。仿真结果表明,论文所设计的控制器在高超声速飞行器大范围飞行过程中具有良好的跟踪性能。     

2020年临近空间科技热点回眸

围绕"认得清、留得住、飞得灵、用得好"的发展目标,概述了2020年临近空间科学技术的研究热点:中国、日本、法-美联合在临近空间实验探测与科学认识方面取得了一定进展;以"留得住、用得好"为目标的临近空间低动态飞行器及其应用技术取得显著成绩,日本软银公司"太阳滑翔机"和韩国EAV-3为太阳能无人机的发展注入了新的活力,美国...     

基于耦合分析的高超声速飞行器纵向协调控制

为解决高超声速飞行器纵向飞行控制系统设计中的协调问题, 基于高超声速纵向非线性数学模型, 对其状态变量组与输入变量组、 轨迹变量组与姿态变量组之间进行了耦合分析, 根据量化耦合程度提出了一种新型的纵向系统分层协调控制方法。 仿真结果表明, 与传统控制方法相比, 该方法可有效解决高超声速飞行器在轨迹运动、 姿态运动和推进系统之间的强耦合问题, 在保证姿态稳定的基础上, 实现更加平稳和高效的轨迹跟踪。     

高超声速飞行器技术研究进展

 高超声速技术作为新世纪航空航天的标志性技术,已成为国内外军事、航天领域关注的重点技术。对高超声速飞行器进行了分类,对国外主要军事大国高超声速飞行器的发展路线、总体方案、性能参数等进行了梳理,围绕对高超声速飞行器发展产生重要影响的气动设计技术、高超声速推进技术、高超声速结构热防护技术、高超声速制导控制技术,剖析了技术发展特点和技术发展方向。基于国外高超声速飞行器的型号发展和投入方向,认为高超声速滑翔飞行器将成为高超声速领域优先发展领域。     

基于T-S模糊建模方法的近空间飞行器姿控系统传感器故障调节技术研究

针对近空间飞行器从近空间空域返回地面再入大气层的飞行过程中其姿态控制系统发生传感器故障的情况,研究了基于广义扩张系统方法的传感器故障调节问题。首先,将再入飞行阶段的近空间飞行器非线性姿控系统用一组T-S模糊模型来表示,并基于此模糊模型引入传感器故障模型。然后,将含有传感器故障的T-S模糊模型利用广义扩张系统方法将其转化为T-S模糊奇异系统,进而设计一个全维状态观测器来得到被控系统的状态向量和传感器故障信号的估计值,并在此基础上提出了一个利用传感器故障补偿技术的反馈控制策略,使得闭环控制系统能够渐近调节传感器故障的影响。最后,通过数值仿真验证了所提方案的有效性。     

高超音速飞机总能量控制系统的设计和应用

为了解除高超音速飞机飞行速度与航迹角之间的强耦合,设计了基于总能量原理的飞行控制系统,该原理的核心思想是采用高超音速飞机发动机的推力来控制总能量,而升降舵用于调节总能量的分配,通过协调升降舵和发动机节流阀调定指令,达到合理增加和分配能量的目的,确保其具有良好的非线性解耦控制能力及强鲁棒性能.仿真结果表明,本文所设计的控制系统对于高超音速飞机是可行的.     

涡轮基组合循环动力关键技术进展

 涡轮基组合循环发动机将是未来高超声速飞行器的主要动力装置，满足空间运载、高速运输、远程快速打击等任务需求，具备可常规起降、可多次重复使用、经济性好等优点。梳理了诸多航空强国关于涡轮基组合循环动力关键技术的发展脉络，分析了开展涡轮基组合循环发动机技术研究必须解决涵盖的模态转换、飞发一体化、超宽工作范围、耐高温、匹配性等诸多方面的关键技术瓶颈。结合国外先进经验，阐述了国内涡轮基组合循环发动机研究的建议，总结了必须解决的涡轮/冲压组合动力关键技术问题。     

世界航天发射运输的发展趋势

 针对世界航天发射运输系统，梳理了国内外发展现状和发展特点，综合对比了国内外航天发射场、运载火箭、火箭发动机的发展现状，并提出了未来发展趋势和展望。提出了低成本进入空间将改变世界航天发展的基本格局，航天远程跨域运输将突破航空领域运输效率的极限，指出了天地往返运输将成为维系空间环境的必然选择，轨道的多样性将催生多样态全域发射能力，同时传统液氧/煤油、液氢/液氧、液氧/甲烷等推进体制的主力运用领域将会迎来重大变革。