重复使用航天运输系统发射运维需求分析
2022-06-27蔡巧言
王 珏,蔡巧言,王 飞,闻 悦
(中国运载火箭技术研究院,北京,100076)
0 引 言
重复使用航天运输系统是指基于天地往返运输技术发展起来的,可实现运送有效载荷快速廉价进入空间、驻留空间实施在轨服务,以及携带空间载荷按需返回地面等功能的航天运载器系统,其目标是发展“廉价、快速、可靠”的航天运输工具,既是航天运输技术的重要发展方向,也是实现快速进出、有效利用空间的重要手段。
为了贯彻重复使用设计理念和简易发射方式,有效缩短发射周期、提高发射灵活性,与一次性航天器相比,重复使用航天运输系统对发射运行维护提出了新的需求。本文深入分析了重复使用运载器的研制特点及难点,从运维中心、快速发射、检测与评估等方面梳理了重复使用对发射运维的需求,有力支撑重复使用航天运输系统的发展,最终实现自由进出空间、高效利用空间、和平开发空间。
1 国外重复使用技术发展概述
1.1 美国
美国高度重视重复使用技术,持续开展了重复使用航天运输系统关键技术攻关、飞行试验与应用,其发展历程如图1 所示。
图1 美国重复使用技术发展历程Fig.1 Development of Reusable Launch Vehicles in the U.S.
当前,美国通过政府层面和私营公司层面多途径并行发展重复使用技术。政府层面,首要目标是降低成本,发展火箭动力多级入轨运输系统。重复使用运载器作为运输系统的基础级或助推器首先实现工程应用;开展空间运载器技术验证飞行试验,积累空间运载器的使用经验;同时,瞄准未来发展,积极开展组合动力关键技术研究,为实现单级入轨奠定技术基础。私营公司方面,积极开展垂直起降火箭、亚轨道运载器等重复使用航天运输系统应用研究。
1.2 欧洲
欧洲重复使用技术的发展由早期的一味追求先进性转而发展成渐进式研究,当前强调技术推动并满足商业需求,但尚未形成国家级计划,其发展历程如图2所示。
图2 欧洲重复使用技术发展历程Fig.2 Development of Reusable Launch Vehicles in Europe
1.3 俄罗斯
俄罗斯/苏联早期为了同美国竞争,研制了暴风雪号航天飞机,因其操作费用过高而未获得实际应用。当前在超燃冲压发动机、飞回式助推器技术取得重要突破,其发展历程如图3 所示。
图3 俄罗斯重复使用技术发展历程Fig.3 Development of Reusable Launch Vehicles in Russia
2 重复使用运载器研制特点及难点
2.1 任务特点
重复使用运载器兼具“星、箭、船、弹、飞机”特点,飞行任务跨越多个空域,速度范围涵盖多个速域,是一种全新的航天器。与一次性使用航天器相比,重复使用运载器的任务特点包括:天地往返、重复使用,承载灵活、服务多样,自主返航、水平着陆,维护方便、成本低廉等。
a)天地往返,重复使用。
重复使用运载器在任务剖面、使用环境、设计理念上与传统一次性航天器很不相同,设计上更加复杂,除了考虑任务剖面内各飞行阶段的环境外,高可靠性、重复使用性、可维修保障等必须在运载器设计之初即通盘考虑。
b)承载灵活,服务多样。
重复使用运载器可根据不同任务需求灵活承载不同载荷,既可实现规模化发射、应急发射等高密度发射活动,快速廉价执行低成本发射民用任务;也可执行快速进出空间操作,有效执行空间支援等军事任务,以及携带空间载荷按需返回地面等。
c)自主返航,水平着陆。
重复使用运载器完成空间任务结束后,离轨再入大气层,自主飞行控制返回,水平着陆于指定着陆场跑道。这是运载器实现天地往返、重复使用的基础能力。
d)维护方便,成本低廉。
重复使用运载器可以像常规飞机一样进行快速维修维护,能够实现10 天10 次发射甚至更高的重复飞行目标,可以满足运载器再次发射的快速维护保障需求,维护成本低廉。
重复使用运载器与一次性航天器对比如表1所示。
表1 重复使用运载器与一次性航天器对比Tab.1 Comparison Between Reusable Launch Vehicle and Expensable Spacecraft
2.2 研制特点
与一次性航天器相比,重复使用航天运输系统研制的关键在于如何解决由一次性使用向有限次重复使用转变的问题,并兼顾技术可实现性和经济可承受性。从总体顶层权衡性能和经济性,构建重复使用技术指标体系,具备全寿命周期自主保障能力和健康管理能力,确保实现高可靠、长寿命、低成本。同时面向运载器的重复使用,解决总体设计、结构设计、热防护设计、机构与起落架设计、动力设计、控制设计、试验、产品制造等方面的问题。
a)总体设计方面。
重复使用运载器飞行任务剖面涵盖类似运载火箭的发射上升段,也涵盖类似卫星的在轨运行段,同时还涵盖类似飞船的再入返回段及飞机的进场着陆与滑跑停机等阶段,设计上需综合考虑各个阶段涉及的热环境、力学环境、电磁环境、空间环境等。
重复使用总体技术指标体系如图4 所示。从避免发生故障角度确保运载器重复使用能力,需要考虑冗余裕度设计等,涉及寿命指标和可靠性指标。从提前发现故障角度确保运载器重复使用能力,涉及预测与健康管理指标。从解决故障的角度确保运载器重复使用能力,涉及维护维修指标。运载器可靠性设计需重点关注任务可靠性、基本可靠性(平均故障间隔时间)和寿命指标。
图4 重复使用总体技术指标体系Fig.4 Indicator System of Reusable Launch Vehicle General Design
此外,总体顶层设计还需要提出重复使用次数(经济性)、使用寿命、测试性指标、健康状态评估指标等指标要求。
重复使用全寿命周期费用组成如图5 所示,包括研制费用、制造费用、发射费用、操作维护费用和其他费用。
图5 重复使用全寿命周期费用组成Fig.5 Life Cycle Cost Composition of Reusable Launch Vehicle
生产架次与飞行次数对应的平均寿命周期费用如图6 所示。生产制造架次越多,单架单次飞行平均全寿命周期费用越低,运载器生产制造架次达到3 架次以上时,单架单次飞行平均全寿命周期费用开始逐步收敛并趋平稳。
图6 生产架次与飞行次数对应的平均寿命周期费用Fig.6 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Production for Different Numbers of Flights per Vehicle
单架飞行次数对应的平均寿命周期费用如图7 所示。单架飞行次数越多,单架单次飞行平均全寿命周期费用越低,飞行次数大于10 次时,单架单次飞行平均全寿命周期费用逐步收敛并趋于平稳。
图7 单架飞行次数对应的平均寿命周期费用Fig.7 Average Life Cycle Cost Corresponding to the Number of Flights per Vehicle
b)结构设计方面。
传统一次性航天器注重结构的极限承载,以结构强度、刚度为主要设计准则,而重复使用运载器与飞机类似,更注重结构重复使用寿命,通过设计确保使用寿命内的结构完整性,以结构完整性大纲为依据,建立完善的重复使用结构设计体系,除了最基础的静强度、刚度、损伤容限及耐久性设计准则外,设计还需面向各种环境下的使用维护进行评估分析。
c)热防护设计方面。
热防护在再入过程中面临复杂的气动力、热、噪声和振动等外界环境,尤其是气动热环境引起的温度问题尤为突出。热防护需要满足非烧蚀特性以保证气动外形和热结构的可重复使用性,这对材料体系提出了很高的要求。此外,活动部件的热密封问题也是热防护设计上需重点解决关键问题。
d)机构与起落架设计方面。
重复使用运载器在机构疲劳强度和寿命设计上与飞机遵循着类似要求,同时由于使用环境不同,重复使用运载器还需要机构和起落架系统适应空间环境,这些均是传统一次性航天器研制中未涉及的新需求。
e)动力设计方面。
无论主发动机,还是姿轨控发动机,重复使用运载器均对发动机的重复使用提出了迫切的需求,这需要动力系统按照重复使用的设计理念开展设计。
f)导航制导控制设计方面。
重复使用运载器复杂的任务剖面决定了其使用的导航设备多、制导控制模式多、执行机构多,控制上往往是多执行机构协调复合控制,控制冗余重构设计更加复杂。
g)健康管理设计方面。
飞机的使用环境是大气层内,而重复使用运载器不仅需要在大气层内飞行,还需要承受外空间环境的巨大温差和恶劣的辐射环境等问题,传感器选型、传感器布点和信号传输与处理是健康管理设计的三个关键技术。首先,在空间环境工作的传感器选型是一大难点。其次,由于使用环境恶劣,传感器的布点很有局限性,极可能采集不到关键特征值,传感器布点也是一大难点。再次,在巨大温差和恶劣的辐射环境,部分传感器采集的信号会在重复使用运载器上直接进行数据处理,很多数据需要打包发送到地面进行数据处理并返回重复使用运载器上,极可能使采集的信号传递有误,造成虚警或者误判断,甚至误操作。
h)试验方面。
重复使用运载器的飞行任务剖面决定了其研制试验项目既要参考传统运载火箭和卫星的研制试验项目,设置力学试验(包括静力、模态等)、电功能测试、电磁兼容试验等,同时也要参考飞机设置疲劳、伺服弹性、起落架收放、牵引滑跑等试验。另外重复使用运载器再入面临的严峻气动加热问题、再入热噪声问题、高载荷高热流下的冷热结构匹配问题,是传统一次性航天器和飞机所不需要考虑的新问题,这些新问题也需要采取试验手段进行考核和验证,对试验设施、试验方案设计、试验实施等均提出新要求。
i)产品制造方面。
重复使用运载器轻质结构设计的要求需要大量采用复合材料,并广泛采用一体化成型技术,这些需求对复合结构研制、工艺成型、批生产等的能力均有很高的要求。需要深入开展复合材料成型工艺优化与工程化研制能力研究,实现高精度自动化成型能力,满足大尺寸整体轻质化和高性能化的需要;实现结构复合材料构件铺层设计、工艺设计、车间制造等全过程的仿真模拟数字流贯通,满足批产要求等。此外,与一次性航天器和飞机不同,重复使用运载器非烧蚀热防护系统设计对高效防热、低密度热结构、防隔热瓦、隔热毡等均有很高的要求,对热防护材料的制备工艺稳定性、批生产能力等也有迫切需求。
2.3 工程研制难点
重复使用运载器系统复杂,面临着安全性要求与维修保障费用高的实际问题,为提高装备的任务可靠度,满足运载器高可靠性及安全性的需求,需要重点突破快速测试与发射、故障诊断与健康评估、重复使用无损检测、产品维修与保障等方面的能力。
a)快速测试与发射。
快速测试与发射的目的是通过提高重复使用运载器地面测试系统和测试软件的通用化水平,设计优化测试项目和测试流程,在不降低测试覆盖率和可靠性的基础上提高测试效率。需要攻关的技术包括一体化测发控、测发控系统模块化设计、前后端网络通信一体化冗余设计、综合检测平台设计、通信协议标准化设计、通用化软件平台设计技术、一体式发射台快速发射技术等。
b)故障诊断与健康评估。
通过测量设备完成状态信息和机上诊断信息的交互,将关键数据传送到地面,以地面高性能计算机为基础,结合历次测试和飞行的历史数据,以及各分系统诊断模型,对诊断数据进行诊断分析,分析飞行过程中运载器的健康状态,根据故障性质、严重程度和影响进行综合决策,并将信息提供给指挥决策人员。指挥人员的决策信息通过器地通信链路,上传到运载器执行。同时,在运载器返回地面后,对完整的器上状态监测信息进行全面分析,进一步优化机上健康管理系统。需要攻关的技术包括地面预测与健康管理体系架构、健康表征及影响评估、预测与健康管理测试性验证、智能故障检测、故障诊断与自主重构、寿命预测与健康评估及基于大数据挖掘的健康诊断技术等。
c)重复使用无损检测。
重复使用运载器返回着陆后需要通过快速、准确的检测检查运载器热防护系统和结构件的粘结脱粘、结构损伤、运载器三维外形匹配性等内容,确保重复使用运载器的质量与安全,为快速复飞提供技术支撑。需要攻关的技术包括典型热防护材料与部件无损检测准则及损伤容限评估准则、结构部件与关键支撑件无损检测准则及损伤容限评估准则、复杂气动外形重构技术、复杂曲率三维异形热防护系统无损检测技术、典型结构件无损检测技术等。
d)产品维修与保障。
建立重复使用运载器的三级维护维修方法,明确各级状态下运载器的重要部位维护维修需求和指标要求:一级维护核心是例行维护;二级维护核心是执行可更换组件的修复;三级维护将执行大规模的返修、修复和特殊工艺设备的整修,并提供操作现场所不具备设备和设施。需要攻关的技术包括全寿命周期自主保障体系、运载器寿命管理技术、健康状态辅助决策技术、故障重演及三维显示定位技术、运行维修方法与流程、各分系统维护及后处理技术等。
3 重复使用运载器发射运维需求
对于重复使用运载器,其发射成本包括运载器研制成本和运行维护成本。相比于一次性航天器,重复使用运载器除要求实现运载器快速组装、简化发射、快速测试、无人值守测试发射外,同时要求对返回后的运载器进行多次检测维护,维护成本要低,效率要高,以满足重复使用运载器在全寿命周期内具备良好的运行使用性。
重复使用运载器发射运维设想如图8 所示。
图8 重复使用运载器发射运维设想Fig.8 Concept of Reusable Launch Vehicle Operation and Maintenance
现阶段,重复使用运载器发射及运行维护需考虑的关键技术或问题包括:a)建立一套重复使用运载器运行维护中心,中心设置管理系统进行日常管理与检修工作;b)通过简化发射平台、并行高效的测试流程、无人值守发射技术实现快速发射;c)通过全运载器无损检测、全运载器故障诊断、自动化综合预测与健康管理系统,实现运载器重复使用检测与评估。
3.1 重复使用运载器运行维护中心
运行维护中心由总装厂、发射场、着陆场三级运行维护体系组成,承担着重复使用运载器全寿命周期的检测、维护、评估和修理工作。总装厂维保中心用于重复使用运载器检测、评估、大修及大部件更换,设有备件库。发射场维保中心是维护保障中心的核心,承担着发射和任务阶段的例行维护与任务维护工作。着陆场维保中心承担着运载器在跑道着陆后的简易处理和拆解转运工作,设有简易厂房。
重复使用运载器运行维护流程如图9 所示。在总装厂维保中心完成产品总装及总测工作,以确定产品设计状态满足产品设计要求,总装总测完成后,将部分试验产品进行拆解并分别公路运输至发射场保障中心;在发射场保障中完成全运载器总装和总测,运至发射塔架,完成加注燃料、起竖及射前检测等工作。之后开展飞行试验,飞行试验后在跑道上进行危险推进剂处理后转运至着陆场维护保障中心,进行处理、维护、拆解,转运至发射场维保中心,完成发射准备工作后具备再次发射条件。经检测后,若发射场维保中心不具备维修条件,则需转运回总装厂房维保中心进行大修。
图9 重复使用运载器典型运行维护流程Fig.9 Typical Operation and Maintenance Procedure of Reusable Launch Vehicle
运行维护中心设置管理系统提供对整个运行维护系统的日常管理与检修工作,尤其是运行维护数据中心的管理和维护。运行维护数据中心管理软件平台采用B/S 架构实现,各系统工程师可通过终端登陆服务器,在任意时刻升级相应的数据库。
3.2 运载器快速发射
a)简易发射台。
重复使用运载器采用简易发射、便捷测试、快速健康评估、多次使用的全新设计理念,发射准备时间短,要求实现发射准备时间小于1 天,再次发射准备时间小于2 天。对于简易发射台的需求主要包括两方面:a)大幅度降低对基础设施的人力需求,可在更大范围内进行发射;b)实现类似飞机的航班化发射,如图10 所示。
图10 航班化发射场设想Fig.10 Concept of Flight-like Launch Site
b)并行高效的测试流程。
重复使用运载器需建立快速测发控子系统,前端实现无人值守,后端通过技术专家远程支持减少测试操作人员,通过高速总线实现与运载器的实时通信,快速搜集运载器的自检信息,依据专家知识系统自动判读,准度定位故障并给出解决方案,支持重复使用运载器快速发射。
c)无人值守发射技术。
目前中国液体运载火箭在故障诊断、自主对接、故障隔离等技术上研究较少,自动化程度不高,是造成运载火箭的测试发射周期长、成本高、危险性大的主要原因之一,不适应火箭快速测发的发展趋势。针对重复使用运载器24 h 内发射、48 h 内再次发射的要求,迫切需要开展相关的理论与方法研究,以大流量低温加注、自动化加注、器地连接器自动对接脱落和大吨位牵制释放为发展方向,提升火箭发射效率,保证发射可靠性和安全性。
研究重点包括建设无人值守加注和发射流程数字仿真平台,具备流程设计和故障注入仿真等功能,设计和优化无人值守加注测试发射总体方案。建设无人加注值守试验平台,验证远程自主监测及故障处理、连接器自主决策自动对接、二次对接低温密封等关键技术。
d)简洁高效的地面支持系统。
地面支持系统主要包括:运输设备,加注系统,推进剂泄出系统,供气系统,发射初始段发射环境防护系统,快速降温系统,环境保障系统,健康监测系统,产品整体起竖设备,吊装辅助设备等。
为实现简洁高效的地面支持系统,需要针对快速与机动发射技术、低温推进剂快速加注技术、气源及配气台快速制备及供气技术、连接器快速对接与脱落技术、一体式发射台快速发射技术、低温甲烷贮存与运输技术、整体转运与起竖技术等开展研究。
3.3 运载器重复使用检测与评估
a)检测维护。
重复使用运载器的检测维修需要围绕全寿命周期维修信息保障、测发控、热防护检测及维护、复合材料维护、电气系统检测及维护、增压输送系统检测与维护等开展研究,实现对重复使用运载器故障检测与隔离、异常告警、健康诊断与评估、综合维护辅助决策支持,建立快速测发控子系统,建立热防护系统、复合材料构件、电气系统、增压输送系统的快速检测及维护能力。
b)评估决策。
射前测试决策子系统负责重复使用运载器每次射前测试到发射过程的全器健康状态监测和评估,根据诊断结果提出决策信息。射前测试决策系统所要获取的测试信息种类繁多,数据更新快速,通过全器健康评估软件实现系统功能。软件以对预测与健康管理数据中心的数据和射前测试的数据为基础,进行全器健康状态评估,给出定量评估结果和是否可以进入下一次飞行过程的建议,供指挥人员决策参考。
4 结束语
航天运输系统是航天技术发展的重要基础,重复使用是航天运输系统的重要发展方向。发展航班化运营的重复使用航天运输系统,实现快速、高可靠、低成本、环保地进出空间,能够有效降低航天发射成本,有力支撑未来高密度、高频次发射任务。发射运维作为实现重复使用航天运输系统可靠、安全运行的重要基础,有助于以更加经济有效的方式保证航天运输系统达到预期的使用效能和保障能力。通过梳理明确重复使用航天运输系统对于发射运维的需求,支撑重复使用航天运输系统发展,持续推进航天领域的跨越式发展,将有力带动科技创新能力的大幅提高,推动基础学科和工程技术水平的整体提升。