运载火箭子级回收技术研究
2016-02-15汪小卫张普卓吴胜宝申麟
汪小卫 张普卓 吴胜宝 申麟
运载火箭子级回收技术研究
汪小卫 张普卓 吴胜宝 申麟
(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京 100076)
运载火箭子级回收技术是航天领域的研究热点之一,文章对运载火箭子级回收技术进行了初步研究,并根据运载火箭子级回收的发展情况和技术特点,梳理出运载火箭子级回收的三种技术类型,分别为伞降回收、垂直返回和带翼飞回式。根据这三种子级回收技术类型,对国际上的相关技术研究进行了分析总结,梳理出了三种回收方式的关键技术,并给出了关键技术内涵。文章进一步从技术难度、对总体设计布局影响、运载能力损失和回收过程复杂性等方面,对不同的子级回收技术类型进行了分析和对比,得到三种类型的回收方式各具特点,但伞降回收方式技术成熟度更高,最后给出了中国运载火箭子级回收技术初步发展建议。
子级回收 回收着陆 运载火箭
0 引言
随着国际航天的发展,如何降低航天发射费用是整个航天工业界面临的主要挑战之一,而实现运载器的可重复使用是降低成本的重要措施。自20世纪50、60年代开始,世界各航天大国持续开展可重复使用航天运输系统的研究,从早期美国研制的“X系列”验证机、70年代研制成功的航天飞机到近年来私营公司SpaceX宣布研制可重复使用“猎鹰-9”火箭,期间还包括世界各国都提出了Skylon、NASP、FLPP、HOPE、Clipper、K-1火箭等概念[1-3]。从构型技术特点上看,可重复使用运载器可以分为类似飞机的整体升力体式重复使用运载器和基于传统火箭构型的重复使用运载火箭两大类。
重复使用运载火箭的整体构型与传统运载火箭没有明显差别,其总体设计相对于一次性运载火箭变化较小,技术基础较好,成熟度较高。开展重复使用运载火箭研究的前提是开展运载火箭子级回收技术研究,比如当前SpaceX公司正开展的“猎鹰-9R”火箭的试验和研制均采用了垂直返回的方式;俄罗斯提出的“贝加尔号”助推器也采用了带翼飞回式;航天飞机助推器、“战神”火箭子级、K-1火箭和“火神”火箭都采用了伞降回收的方式。运载火箭子级和助推器的回收技术已然成为当前航天领域的重要研究热点,因此有必要对此开展深入跟踪和相关研究。
1 国外运载火箭子级回收技术研究情况介绍
当前国际上实现和开展了运载火箭子级回收的主要有:航天飞机助推器、“战神I”一子级、“阿里安-5”助推器、美国“基斯特勒”火箭飞机公司的K-1火箭、麦道公司的“德尔它快帆”、美国SpaceX公司“猎鹰-9R”火箭、俄罗斯提出的“贝加尔号”助推器、美国ULA公司提出的“火神”火箭和欧洲空客公司提出的“可回收太空发射系统”(Advanced Expendable Launcher Innovative Engine Economy, ADELINE)。
按子级回收技术方式,运载火箭子级回收可分为伞降回收方式、垂直返回式和带翼飞回式三种类型。
1.1 伞降回收
1.1.1 航天飞机助推器
航天飞机助推器(Solid Rocket Booster, SRB)是历史上被降落伞回收的最大质量载荷,也是历史上唯一回收再重复使用的实用型火箭,其回收采用了有史以来最大的降落伞。航天飞机助推器回收工作流程如图1所示。该助推器单元集成了上升、再入和回收所有的子系统。集成的助推器子系统包括:推力矢量控制、辅助动力单元、航电、烟火信号、射程安全系统、降落伞、热防护、水上回收系统等。助推器通过连接结构连接到外部燃料箱。
该助推器的技术难点包括子系统集成、热环境和严重的载荷(包括着水冲击),有时会造成硬件损坏。有些子系统都配合可重复使用要求进行了改进,包括热防护系统、射程安全系统、降落伞/回收系统等。每个助推器使用3个主伞进行减速,最终降落在海洋中。而海洋回收又带来了一些如人员、设施、运输和地面支持设备等问题[4]。
1.1.2 “战神I-X”助推器
“战神I-X”运载火箭是美国宇航局为了代替航天飞机而开发的,是新一代载人火箭“战神I”的试验火箭,火箭全长将近100m,已于2009年10月31日成功进行试验性发射[5],试验取得基本成功,后来由于“星座”计划取消,“战神”火箭也随之终止。
“战神I-X”的第一级源于航天飞机助推器SRB。与SRB的四段式工作模式不同的是,“战神I”的一级分为五段,以提供更大的推力。另外将原本与航天飞机外贮箱的接口改换为与“战神I-X”二级的接口。在回收技术方面,“战神I-X”一级助推器基本沿用了SRB的回收方案。“战神Ⅰ”第一级固体火箭回收程序见图2[6]。
图2 “战神Ⅰ”第一级固体火箭回收程序示意
1.1.3 K-1运载火箭
美国基斯特勒公司的K-1火箭计划始于1993年,期望通过重复使用降低运载器的发射费用,并用于商业发射。K-1火箭为二级完全可重复使用运载器,起飞后130s,一子级升高到41.2km高度时,与二子级分离。一子级分离体采用降落伞+缓冲气囊的回收方案。结束有效载荷释放后,二子级调整姿态,轨控发动机开始工作实现降轨、再入大气层并向发射场返回,同样采用降落伞+缓冲气囊的回收方案[7-9]。
由于两级完全可重复使用运载器的研制难度较大,且当时项目经费无法得到保障,K-1火箭的研制计划出现起伏,经过了一定的试验验证后,没有最终投入实际应用。对于K-1火箭的关键技术——运载火箭子级回收技术,由于项目下马未能得到飞行验证,但回收着陆系统的绝大部分研制试验已经完成,并通过飞机搭载演示验证试验,验证了群伞+气囊回收技术途径的可行性。K-1火箭回收过程如图3所示。
1.2 垂直返回
1.2.1 “德尔它快帆”
20世纪90年代,麦·道公司提出了“德尔它快帆”(DC-X/XA)方案。当时,该方案成功中标美国1990年8月提出的“单级入轨火箭技术计划”,该方案采用垂直起降方式实现回收和重复使用,后来由于单级入轨计划的终止,“德尔塔快帆”项目随之终止。
在麦·道公司所进行的12次DC-X/XA飞行试验中,实现了最大飞行高度3 155m,验证了单级火箭系统垂直起降、快速飞回和简化地面保障技术。“德尔它快帆”为未来可重复使用运载器的研制提供了丰富的技术、设计、制造和操作经验。DC-X/XA 12次飞行试验对运载火箭垂直着陆技术进行了充分验证。图4为“德尔它快帆”示意图。
图4 “德尔它快帆”示意图
1.2.2 “猎鹰-9R”运载火箭
在K-1火箭之后,美国的SpaceX公司也开展了“猎鹰”火箭的可重复使用技术研究。2011年9月,SpaceX公司对外宣布了“猎鹰-9”火箭的可重复使用版(猎鹰-9R),完全可重复使用“猎鹰-9”火箭包括重复使用的一级、二级,第一级由亚轨道垂直返回发射场,第二级在轨道分离后,也是垂直返回发射场,两级都是垂直下落,最后靠4个支架支撑着陆。支架在飞行期间可被折叠起来,在回收过程中,支架展开,支持回收部件安全垂直降落。一、二子级着陆示意,见图5。
图5 一、二子级着陆示意
为了研发完全可重复使用“猎鹰-9”火箭,SpaceX公司实施了“蚱蜢”计划验证垂直返回技术,并结合火箭发射任务,开展了一子级陆上和海上软着陆试验。各项试验取得重要进展,验证了垂直返回技术的可行性。“蚱蜢”垂直起降验证机见图6。
图6 “蚱蜢”垂直起降验证机
1.3 带翼飞回式
1.3.1 “贝加尔号”
俄罗斯正在研制新型运载火箭“安哥拉”(Angara),针对该火箭推出了两种助推器回收方案,其中一种是“贝加尔号”有翼助推器方案,另一种是伞降+直升机空中回收方案。
“贝加尔号”计划开始于1998年底,其目的是降低运载火箭的操作成本以及使着陆场最小。“贝加尔号”为第一级带翼飞回式助推器,它可飞回发射场以自动方式像飞机一样着陆,重复使用多达100次。它有80%的净质量可以重复使用,预计可使发射成本比“质子号”火箭降低30%~50%。“贝加尔号”在通用芯级助推器中的某些结构部件和推进部件采用了现成技术,同时具有一个可展开式机翼、尾翼和一台辅助涡轮喷气发动机[10-11]。可重复使用“贝加尔号”助推器模型如图7所示。
图7 可重复使用“贝加尔号”助推器模型
1.3.2 Adeline系统
在美国ULA公司公布可回收的Vulcan火箭后,欧洲空客集团也宣布他们正在开发可重复使用运载系统——Adeline。
该计划将采用回收并重复利用运载火箭一子级的关键部件——发动机和电子设备,在火箭上升段中,Adeline将与火箭一子级分离,以5倍声速再入大气层。Adeline设计了两个小型翼,并采用涡轮发动机提供返回过程中的动力,最终降落在预定跑道上。该计划已于2010年启动,并预计在2025年正式投入使用,投入使用后能够有效降低发射成本20%~30%。Adeline系统正提议应用于未来“阿里安-6”火箭上,除此以外Adeline系统仍可应用于其它液体推进剂运载火箭上。
2 关键技术分析
三种基于传统运载火箭构型的回收技术,伞降回收、垂直返回和带翼飞回式,相对整体升力体式运载器来说,都具有更加成熟的技术基础,技术成熟度较高,其中飞回式助推器技术是升力体式运载器在运载火箭上应用的体现,也是降低整体升力体式运载器研制难度的一个有效途径。但这三种回收方式仍然存在各自技术难度和关键技术,以下梳理了各自的相关关键技术。
2.1 伞降回收式
(1)群伞系统设计技术
群伞系统包括稳定伞系、减速伞系和主伞系等。主伞系由3具主伞组成,每具伞名义面积超过 1 000m2。群伞系统存在开伞不同步现象,导致开伞载荷分配存在很大不均匀性。此外,当各伞衣充气速度差别较大时,先充满伞衣占据的空间位置可能会妨碍充气迟缓的伞衣充满。大型降落伞的开伞还会带来一子级下降过程中较大的过载,可能带来结构的破坏,因此,需要合理设计大型群伞系统方案。
(2)大型缓冲气囊设计技术
一子级着陆段采用缓冲气囊进行减速。缓冲气囊为爆破式气囊,每个气囊充满后体积可达几十立方米,采用何种气囊设计方案,直接影响一子级着陆缓冲性能、回收系统的总质量和总体积,同时大型气囊还带来气囊本身材料强度的问题,需要通过方案选型、优化设计和试验来予以验证。大型气囊技术是需要解决的关键技术之一。
(3)回收系统优化设计技术
对于降落伞+气囊的回收系统方案,伞降一子级着陆前的稳降速度是一个重要的设计参数。一般来讲,稳降速度小,降落伞系统的质量和体积会增大,而气囊及供气系统的质量和体积会减小;相反,稳降速度大,降落伞系统的质量和体积会减小,而气囊及供气系统的质量和体积会增大。这样,理论上可以通过设计合理的稳降速度,从而达到回收系统总质量最轻,但优化设计与降落伞系统、缓冲着陆系统以及供气系统的具体设计形式有关,同时也受到材料强度、加工制造等方面的限制。因此需要综合考虑整体回收系统的具体设计。
(4)超声速开伞技术
为确保一子级在落地前实现稳降,并将速度减小至目标值,需要保障降落伞系的开伞高度。回收着陆系统的初始开伞速度很大,达到超声速,对降落伞的强度要求很高;另外,降落伞工作在跨声速条件下,而在此种条件下工作的降落伞阻力特征缺乏较为精确的理论计算支持。因此,超声速降落伞的研制难度很高,从降落伞材料、加工工艺、性能仿真分析以及试验验证技术等方面均需要进行关键技术攻关。
2.2 垂直返回式
(1)垂直返回高精度控制技术
垂直返回高精度控制技术确保火箭子级以稳定的姿态,按照预定的轨迹飞回预定降落场。垂直返回控制技术涉及到返回段任务规划、弹道设计、姿态控制以及高精度制导等多个专业。相比传统的火箭控制技术,它具有飞行任务复杂、飞行过程干扰大且不确定性因素多、热流、过载等边界约束苛刻、落地精度要求高等特点。所涉及到的子关键技术主要包括在线轨迹规划技术和高精度姿态控制技术。
(2)微重力推进剂管理技术
火箭子级在主发动机关机,并与上面级分离后,为了降低子级下降速度,需要其主发动机在下降失重环境下再次点火。发动机再次起动前贮箱内推进剂处于失重状态,为保证发动机能够再次成功起动,需要向发动机提供不夹气的推进剂。失重状态下低温推进剂管理技术涉及学科广、多专业耦合强,须针对具体需求开展攻关研究。
(3)发动机大范围推力调节技术
火箭子级在垂直返回过程中,特别是在降落前,由于其推进剂已基本耗尽,子级质量较低,为保证子级在下降和着落过程中过载的要求,需要子级发动机具备大范围推力调节能力。为了满足发动机大范围变推力要求,系统需要设置调节阀,以提高发动机系统调节控制的灵活性,从而实现稳定、可靠、迅速的变推力调节控制。相比于现有固定推力或小范围挤压变推力液体火箭发动机来说,泵压式深度变推力发动机调节元件多,喷注器、燃烧室、涡轮泵等关键组件工作范围广,调节控制规律复杂。
(4)着陆支撑技术
着陆支撑是垂直返回过程的最后一个步骤,也是决定回收成功与否的关键所在。运载火箭的着陆支撑技术主要包括缓冲装置设计技术、着陆支撑机构构型优化技术和着陆支撑机构展开锁定技术等。缓冲器是支架式着陆器的核心部件,其主要作用是将着陆冲击过程中所产生的冲击能量耗散到缓冲器内部缓冲材料及着陆腿结构变形上。着陆支撑机构的构型选择对于提高着陆承载能力和降落后的稳定性有着重要的作用,着陆支撑机构构型主要包括支腿数量和组合形状。着陆支撑机构的展开锁定是保证着陆支撑装置在上升段锁紧,并在着陆前解除锁定状态,顺利展开,确保子级安全回收。
2.3 带翼飞回式
(1)总体优化与设计技术
由于需要在传统火箭上添加机翼、控制系统、起落架和吸气式的发动机等新系统,带翼构型设计难度大,其最显著的特点是总体、气动、弹道、防热、结构、动力、制导导航与控制等多个专业间存在强耦合性。总体设计必须全面开展多学科一体化设计工作,以避免方案颠覆。带翼构型设计涉及的参数多、受到的约束多,总体优化设计中需要考虑运载器对多个飞行阶段环境的适应性,其中任何一个分系统指标调整,都需要总体及时对方案进行调整和分析,采用传统航空器或航天器的串行设计模式已经无法适应,必须采用一体化优化设计方法,才能获得运载器的最优设计方案。
(2)气动、结构、控制耦合综合分析和设计技术
带翼飞回式助推器飞行速度高、外部环境复杂、控制模态多,同时由于加装了热防护系统和反作用力控制系统,导致结构、气动力/热和控制等系统间的耦合关系变得极其复杂,将严重影响其在无控情况下的气动弹性特性和刚性结构假设下的飞行性能。不利的耦合将导致闭环系统的性能变差,甚至失去稳定性。突破气动力/热、结构和控制的解耦综合设计技术,对优化高超声速飞行器的设计,确保飞行安全意义重大。
气动力/热、结构、控制耦合综合分析和设计技术涉及多专业、多系统之间的复杂耦合关系,其对运载器性能及安全性的影响至关重要,尤其是再入返回阶段严酷的气动力/热环境将导致运载器的综合特性变得更为复杂,必须进行多专业耦合分析和气动、结构、控制一体化设计。
(3)气动力/热技术
带翼构型外形复杂,需要采用可重复使用的无烧蚀防热方式,气动力和气动热问题相对复杂。根据飞行过程划分,气动问题可以分为发射段低速气动问题、上升段气动问题、分离段气动问题、返回段气动问题和进场/着陆气动问题,整个飞行过程的气动问题难点和重点集中在发射段与返回段。对于带翼面对称体需要气动舵面参与控制;火箭和飞船的控制主要依靠反作用喷流控制,喷流作用产生的控制力往往可以比气动力作用大很多倍,气动力基本上不参与配平和控制,而带翼构型在返回过程中,姿态配平、控制和机动基本上依靠气动力完成,喷流控制只是起到辅助配平作用。因此能否提供性能优越的气动布局、准确的提供气动力/热环境,对于任务规划、制导和控制系统设计都有着决定性的影响,对于飞行器的性能和安全性有着非常重要的意义。
(4)低升阻比大型飞行器水平着陆技术
安全的自主返回并水平着陆是安全回收并重复使用的前提,带翼返回式助推器分离后需自主返回并水平着陆,由于在气动外形设计时需兼顾高超声速飞行,因此新型运载器的升阻比会相对较低,在着陆时纵向速度较大,触地时对飞行器的冲击较大,对安全着陆有很大影响。为了尽可能降低着陆速度,采用大攻角姿态着陆,但需要确保着陆时不能失速,这对着陆时的稳定控制带来了较大难度;同时由于运载器的大型化,着陆质量大,大重载着陆对起落架系统性能要求很高。
3 子级回收方式的对比分析
3.1 技术难度
对于伞降回收方式,无论是陆地回收,还是海上回收,国际上都有一子级和助推器回收的成功经验,其主要难度在于降落伞和着陆缓冲装置的设计。对于垂直返回方式,已有“阿波罗”登月舱和“德尔它快帆”的成功经验;而在火箭上的应用,一子级垂直返回具有“猎鹰-9”运载火箭试验验证的技术基础。若考虑二子级回收,无论是伞降回收还是垂直返回,技术难点将集中体现在二子级的再入热防护系统设计上。二子级再入返回时,将面临严酷的气动热问题,技术难度较大。
带翼飞回式的难点在于复杂气动外形设计、高速再入过程控制技术以及热防护系统设计技术等,其控制技术多采用反作用力系统与舵面联合控制,控制系统复杂,技术难度相对更大。无论是一子级还是二子级的带翼飞回式设计,其技术难度都较大,且目前没有成功经验。
因此,一子级或助推器伞降回收和垂直返回技术难度相对较小,而二子级再入返回技术难度大。带翼飞回式技术难度比较大。
3.2 对总体设计布局的影响
采用伞降回收方式,运载火箭子级需要提供降落伞系统和缓冲气囊的安装布局空间。降落伞系统一般布置在级间段位置,缓冲气囊一般采用前后布局方案,可布置在级间段、箱间段、后过渡段等位置。缓冲气囊上升段是折叠状态,位于火箭舱内,降落过程中需要充气展开,并弹开舱盖,充气展开后将位于舱外。为便于着陆,降落过程中子级姿态将由垂直姿态转换为水平姿态,降落伞需要进行转换吊挂,箭体结构需要提供吊挂点,并预埋吊线。
对于垂直返回方式,总体设计布局方面需要提供着陆支撑机构的安装空间。在箭体结构的尾舱外安装着陆支撑机构,上升过程中为折叠状态,返回过程展开。此外,贮箱内部增加推进剂管理系统,对返回过程中推进剂进行管理。
对于带翼飞回方式,需要添加机翼,机翼的添加使得整体布局发生了很大变化,在总体设计上需要做较大改变;且部分设计需考虑添加吸气式发动机以提供返回过程中的动力,这样就进一步增加了系统的复杂性和设计难度。
因此,伞降回收和垂直返回对于运载火箭总体设计布局都有一定影响,但影响都较小。升力体式回收方式对总体设计布局影响大。
3.3 运载能力损失
对于伞降回收方式,运载火箭子级需要增加降落伞系统和缓冲气囊系统,同时,地面着陆回收对于一子级的落区有要求,使得一子级飞行弹道不一定能够按照最优飞行弹道设计,会造成一定的运载能力损失。伞降回收分返回原场与不返回原场两种,不返回原场,无须进行大范围横向减速,通过初步分析表明伞降回收对运载能力损失一般不超过不回收状态的10%;当需要返回原场时,需要做横向机动,最后垂直方向减速靠降落伞作用,通过初步分析表明返回原场对运载能力损失较大,能够达到30%以上。
对于垂直返回方式,运载火箭子级在分离时,贮箱中需要保留一定的推进剂,以用于返回过程发动机点火减速,这对火箭运载能力损失较大;对于返回原场的垂直返回回收,由于需要做横向机动,火箭的运载能力损失将进一步加大,初步分析表明损失幅度能达到50%以上,最高甚至达到90%;对于不返回原场,不需要横向掉头的,其推进剂消耗量较小,但损失也能达到20%以上。对于垂直返回回收方式,子级需要加装制导系统、辅助动力系统、贮箱推进剂管理系统、热防护系统、着陆支撑机构等,也会对运载能力产生一定影响。
对于带翼飞回式,结构上需要增加机翼、尾翼、起落架,甚至增加吸气式发动机系统等,还需要增加热防护系统,这样增加的质量会对运载能力造成较大影响。若子级或助推采用飞回式方案,同样有返回原场与不返回原场两种形式,返回原场仍然需要进行做横向减速,运载能力损失较大;不返回原场相对损失小一些;初步分析表明运载能力损失都能够达到30%,具体情况根据具体方案略有不同。
因此,各种回收都会使运载火箭的运载能力下降,采用垂直返回方式和升力体式,运载能力下降幅度相对较大。
3.4 回收过程复杂性
对于伞降回收方式,无论是返回原场还是不返回原场,由于降落伞控制精度降低,其落区范围较大,即使采用了落点精度较好的翼伞回收,其落区范围相对来说还是同样较大,需要开展一定的子级降落后的搜索工作。
对于垂直返回方式,由于采用多种控制设计方案,可实现着陆地点的精确控制,能够很好地控制子级回收落点位置,无需开展子级降落后的搜索。
对于升力体飞回式,其控制精度相对较高,可以以较高精度降落至预定地点,一般可直接降落于跑道上,无需开展搜索工作。
3.5 小结
综上所述,伞降回收、垂直返回以及飞回式三种回收技术途径的对比结果如表1所示,各种回收方式都具有自身的特点,但是若遵循技术从易到难、循序渐进和可实现性的发展原则,可采用或先突破更为成熟的伞降回收技术,通过较小的改动,实现我国在役和在研运载火箭的助推器或一子级的安全回收,进而实现重复使用,降低发射成本;在开展伞降回收同时,开展垂直返回技术和带翼飞回式技术研究,并结合我国运载火箭的发展规划,选择适合我国运载火箭技术发展规律的回收方式。
表1 三种回收方式对比
Tab.1 Comparison of three methods for rocket stage recovery
在相关研究规模上,建议率先开展小型子级回收运载火箭的研究,突破子级回收技术,进而拓展到中大型运载火箭,最后实现重型运载火箭的子级回收,全面实现我国运载火箭的子级回收。
4 结束语
本文梳理了运载火箭子级回收三种技术类型,对国外子级回收技术的研究进展进行了分析总结,梳理给出了各类回收方式的关键技术,并对不同的子级回收技术类型进行了分析和对比,通过研究得出如下结论和建议:
1)运载火箭子级回收可分为伞降回收、垂直返回和带翼飞回式三类;
2)国外对各类回收技术开展了较为全面的研究,并不断在开展相关技术研究和验证,后续需持续开展对国外运载火箭子级回收技术的跟踪和分析;
3)三种类型的回收方式在技术难度、对总体布局影响、运载能力损失和回收过程难度等方面各具特点,总体来说伞降回收方式技术成熟度更高,如其应用将对现役火箭改动较少,我国相关技术的发展应结合实际情况理性开展;
4)加大投入、循序渐进发展子级回收技术。
[1] 杨勇, 王小军, 唐一华. 重复使用运载器发展趋势及特点[J]. 导弹与航天运载技术, 2002(5): 15-19. YANG Yong, WANG Xiaojun, TANG Yihua. Development Trends and Characteristics of Reusable Launch Vehicles[J]. Missiles and Space Vehicles, 2002(5): 15-19. (in Chinese)
[2] 杨勇. 我国重复使用运载器发展思路探讨[J]. 导弹与航天运载技术, 2006(4): 1-4. YANG Yong. Study on Roadmap of Chinese Reusable Launch Vehicle[J]. Missiles and Space Vehicles, 2006(4): 1-4. (in Chinese)
[3] 果琳丽, 刘竹生, 朱维增, 等. 未来运载火箭重复使用的途径选择及方案设想[J]. 导弹与航天运载技术, 1998(6): 1-7. GUO Linli, LIU Zhusheng, ZHU Weizeng, et al. Method Options and Conceptual Design of a Future Fully Reusable Rocket[J]. Missiles and Space Vehicles, 1998(6): 1-7. (in Chinese)
[4] 赵祖虎. 航天飞机助推器轻型回收系统[J]. 航天返回与遥感, 1997, 18(4): 3-8. ZHAO Zuhu. Light Recovery System of Space Shuttle Solid Booster[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 1997, 18(4): 3-8. (in Chinese)
[5] PAUL T, BRETT S, CLYDE G, et al. Ares I-x Separation and Reentry Trajectory Analyses[C]//AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA 2011-6462, Portland, Oregon, 2011.
[6] CARL M, ASHLEY T, JAMES B, et al. Ares I-x Range Safety Trajectory Analyses and Independent Validation and Verification[C]//AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA 2011-6461, Portland, Oregon, 2011.
[7] ROBERT M, ANTHONY T. A Status Report on the Development of the Kistler Aerospace K-1 Reusable Launch Vehicle[C] //AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, AIAA 2001-2069, Boston, MA, 2001.
[8] LEDSINGER L A, OLDS J R. Optimized Solutions for Kistler K-1 Branching Trajectories Using Multidisciplinary Design Optimization Techniques[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2001, 39(3): 420-429.
[9] ANTHONY T, PHILLIP D, ANTHONY T, et al. An Overview of the Landing System for the K-1 Launch Vehicle, Parachutes and Airbags[C]//AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, AIAA 1997-1515, San Francisco, CA, 1997.
[10] BARRY H, DANIEL T. Final Approach and Landing for a Winged Reusable Booster[C]//15th AIAA International Space Planes and Hypersonic System and Technomologies Conference, AIAA 2008-2566, Dayton, Ohio, 2008.
[11] ALEXANDER A M, YURY N T. Potentialities of Multi-functional Application for "Baikal" 1-stage Reusable Booster[C]//The 52nd International Astronautical Congress, IAF-01-V.4.09, Toulousse, France, 2001.
[12] RYSEV O, ANDRONOV R. Methodology of Design and Development of Ariane-5 Booster Recovery System[C]//13th Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference, AIAA 1995-1590, Clearwater Beach, FL, USA. 1995.
[13] BOS M, NIENKEMPER R, MEIBOOM F. Development of the Nosecone Separation System for the Ariane-5 Booster Recovery System[C]//13th Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference, AIAA 1995-1592, Clearwater Beach, FL, USA, 1995.
[14] MEIBOOM F. Aerodynamic Characterization and Trajectory Simulations for the Ariane-5 Booster Recovery System[C]//Aerospace Design Conference Irvine, AIAA 1993-1214, CA, USA, 1993.
[15] HERBERT J. Ariane-5 Booster Recovery System-description of the Parachute Assembly and the Test Philosophy[C]//11th Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference, AIAA 1993-1214, San Diego, CA, USA, 1993.
[16] BARRY H, JOHN B. Return to Launch Site Trajectory Options for a Reusable Booster without a Secondary Propulsion System[C]//AIAA Space 2009 Conference & Exposition, AIAA 2009-6439, Pasadena, California, 2009.
[17] JOHN B, BRAD S G. Rocket Back Trajectory Sensitivity Analyses for a Reusable Booster System[C]//AIAA Space Conference & Exposition, AIAA 2010-8672,Anaheim, California, 2010.
[18] MARTIQUA P, MICHAEL D, WILLIAM S, et al. Experimental Investigation of a Suborbital Reusable Booster Concept with Canards[C]//The 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, AIAA 2011-1304,Orlando, Florida, 2011.
Recovery Technology of Launch Vehicle Stage
WANG Xiaowei ZHANG Puzhuo WU Shengbao SHEN Lin
(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)
The launch vehicle stage recovery technology has become a research hotspot of aerospace transportation system in the world. This paper gives a preliminary study on this kind of technology. Three types of launch vehicle stage recovery and the state-of-art in the world are summarized at first based on the status of the reusable launch vehicles development, such as parachute landing, propulsive landing and aerocapture landing. The key technology list of each recovery types and their necessities are presented. The three types are compared with each other in terms of technology difficulty, impact on launch vehicle design, loss of payload capability and recovery searching difficulty. Each recovery type has its characteristics, while the parachute landing is the most mature one. Preliminary development recommendation for recovery technology of launch vehicle stage of China is given in the end.
launch vehicle stage recovery; recovery and landing; launch vehicle
(编辑:陈艳霞)
V525
A
1009-8518(2016)03-0019-10
10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.003
汪小卫,男,1983年生,2011年获北京航空航天大学航空宇航推进理论与工程专业博士学位,高级工程师。研究方向为航天运输系统总体设计。E-mail:wangxwbuaa@163.com。
2015-09-11
民用航天预研项目