航天運載器
關注創建者：匿名 創建時間：2022-08-09
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文章摘要
重復使用航天運載器是運載火箭的未來，也是滿足大規模、高效益進出太空的前提條件。
文章回顧了重復使用航天運載器技術60多年的發展歷程，尤其是近10年來在商業航天的驅動下所取得的最新進展，同時總結了中國重復使用航天運載器技術，特別是垂直起降技術的進展。
針對目前已被成功驗證為可行的垂直起降的重復使用方式，從液體火箭發動機推力調節、液體火箭發動機多次起動、著陸制導與控制、高精度導航、機構方面對各項關鍵技術進行綜述和討論。
提出中國重復使用航天運載器技術未來發展的建議，包括將經濟性作為設計約束貫穿始終，建立重復使用設計方法與準則，突破載荷環境高精度預示技術，發展重復使用檢測、維護與評估技術，合理選擇動力系統類型，盡快實現垂直回收集成演示驗證，以及兼顧發展水平起降重復使用航天運載器技術，從而為中國未來實現大規模、高效益進出太空打下堅實基礎。
隨著人類社會的不斷進步，特別是近年來航天科技的迅猛發展，世界航天已進入以大規模互聯網星座、太空資源開發與利用、載人月球探測和大規模深空探測等為代表的新階段,各國正在實施和規劃大規模星座計劃、載人月球探測計劃、載人火星探測、地月空間經濟圈等，進入空間規模需求快速增長。
到21世紀中葉，全球進入空間規模需求將超10萬t，超過當前運載能力的兩個數量級。若采用一次性運載火箭實施發射任務，對發射成本和運載火箭產能將是巨大挑戰。
重復使用是降低發射成本和應對產能需求的必要選擇。同時重復使用航天運載器技術的發展還能夠有效支撐人類地外天地著陸和起飛返回任務的實現。
重復使用航天運載器是指可以多次往返于地球與太空，可按需執行一定任務并返回地面的航天飛行器。
按動力方式，其可分為火箭動力和組合動力。
展開 回收復用難關多
液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置，具有性能高、任務適應強、技術難度大、研制周期長等特點，堪稱航天運載器上最復雜的產品之一。因此，液體火箭動力系統重復使用是實現航天運載器重復使用所必須突破的關鍵技術之一。
獵鷹9火箭第一級與第二級分離示意圖（源自網絡）
具體來說，液體火箭發動機想實現重復使用，需要突破多次啟動、低入口壓力啟動、大范圍推力調節、狀態評估檢測及健康管理、快速簡化處理、高溫組件結構抗疲勞壽命評估及延壽、全任務復雜力熱環境預示及控制等關鍵技術，其研制難度遠遠超過傳統上一次性使用的液體火箭發動機。
在世界主要航天強國中，美國在可重復使用火箭動力領域的科研實力最雄厚，應用經驗也最豐富。早在20世紀80年代，美國就已經成功研制了能夠重復使用的大推力液體火箭發動機，并作為航天飛機的主發動機。
航天飛機的主發動機使用液氫液氧推進劑，3臺總共提供600多噸的推力，而且推力可在65%~109%范圍內調節。這樣設計是為了讓航天飛機在點火和初始的上升階段獲得更大的推力，更容易飛起來并加速，而在最后的上升階段，主發動機會減少推力，便于實現對入軌速度的精確控制。
2011年航天飛機退役之后，美國商業航天新勢力承擔起“重復使用，天地往返”的重任。其中，SpaceX公司的獵鷹9火箭革命性地實現了入軌級運載火箭第一級回收與重復使用。
2015年12月，獵鷹9火箭首次陸地成功回收一子級。2017年3月，獵鷹9火箭一子級首次重復使用發射。截至2022年9月，該火箭成功回收一子級130多次，單枚火箭一子級復用次數最多達14次，發射強度之高、可靠性和經濟性之顯著都令人驚嘆。
成就獵鷹9火箭的技術基礎是9臺并聯的梅林1D發動機。這款發動機是專門為可重復使用火箭設計的，采用了液氧煤油推進劑，單臺海平面推力87噸，比沖275秒，具備多次點火能力。
展開 圖表3: Astrium公司參與研制的部分產品
2
Astrium 自動運載飛船ATV的SCADE應用
2.1
Astrium 自動運載飛船ATV簡介
自動運載飛船原名阿麗亞娜運載飛船Ariane Transfer Vehicle，是歐洲航天局發起的用于國際空間站(ISS: International Space Station)貨物運輸的消耗性貨運航天器，具有較高的自主性，可自主與國際空間站交會對接。自動運載飛船由阿麗亞娜5號火箭發射到預定軌道，在2008年至2014年共成功運行了5次，五個自動運載飛船名稱分別是Jules Verne, Johannes Kepler, Edoardo Amaldi, Albert Einstein和Georges Lema?tre。
展開 2019年3月，零壹空間OS-M首型運載火箭暨“重慶·兩江之星”全箭總裝合練及全系統測試圓滿完成，標志著該火箭已完成進入發射場前的所有準備和測試工作。本月底，零壹空間將在酒泉衛星發射中心發射首枚OS-M運載火箭。
研制仿生飛行器，將會突破目前大型航空飛行器設計過程中固化的設計理念和技術限制，微小型飛行器將具備極佳的隱蔽性和在狹小空間的飛行能力。協同集群技術的發展能夠克服單個微型飛行器能力不足的缺陷，將顛覆傳統單一飛行器的作戰模式，產生重大軍事變革。
航天器技術領域包括：可重復使用火箭、大型火箭、星際高速飛行器。
可重復使用航天運載技術
可重復使用航天運載技術基于可重復使用運載器?？芍貜褪褂?em>運載器是指能夠在地球表面與太空之間重復往返的多用途飛行器，具有快速、安全、可靠、成本較低的巨大優勢?？芍貜褪褂?em>航天運載器技術可改變目前航天運載器發射成本巨大的困境。
3.海洋運載領域
目前可燃冰開采船舶創新技術、船舶動力–無軸輪緣推進系統技術、船舶綠色化的創新與發展技術、海洋數據資源技術等技術領域可能存在疑似顛覆性技術。
吳有生院士指出，世界海洋運載裝備呈現以“綠色船舶技術”為基礎，以“綜合集成”“智能化”“深遠?！睘橹饕l展方向的新趨勢。
適應于深遠海支持和作業的海洋運載工程裝備將成為未來需求的重點。突破性技術包括節能裝置、雙燃料主機、輕量化設計技術。未來值得期待的海洋運載技術還有核動力和深海載人空間站。
綠色海洋運載技術
海洋運載裝備的節能技術始終貫穿于其發展的過程中。目前，綠色船舶技術的發展方向主要包括：
綠色船舶的總體技術，包括船舶設計優化、減輕船舶的重量、少/無壓載水船舶；
綠色船舶動力技術，也是綠色船舶技術的發展重點，目前較為成熟或正在研發的有關技術包括低轉速長沖程設計技術、降低最大持續運轉功率點油耗技術、氣體燃料技術、風帆油機混合動力技術等；
綠色船舶營運技術，包括船舶能效控制和岸電技術。
綜合集成與智能化
隨著海洋運載工程任務需求的不斷增加，海洋運載裝備逐漸向功能綜合集成化、智能化方向發展。
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<p class="ql-align-justify"> “不管地球達到了怎樣的繁榮，那些沒有太空航行的未來都是暗淡的?！焙娇蘸教煨袠I已進入到高速工業化時代，也成為了一條值得投資者重點關注的新賽道。大型飛機、無人機、eVTOL等都在高速發展，不斷涌現出更高端、更前沿的解決方案，更多前沿領域值得探索。</p><p class="ql-align-justify"> 
[圖片]
l 用于航天器和運載火箭大型全耦合有限元邊界元模型的先進加速邊界元方法，包括在現代高性能計算(HPC)集群上求解大型模型
l 廣泛的負載庫，用于模擬來自起飛，氣動載荷和隨機漫射聲場激勵的激勵
l 先進的揚聲器和揚聲器陣列模型,用于建模直接場聲測試,包括來自聲學研究系統的集成校準揚聲器
l 沖擊源和沖擊響應全光譜建模的新方法,包括煙火裝置和脆性接頭建模、通過建立結構進行沖擊傳播和衰減以及敏感部件的沖擊響應特性描述
在太空中，沒有保護航天器免受輻射的大氣層。輻射產生的電荷無法消散，因為航天器沒有接地。因此，航天器設計必須適當地減輕航天器表面和內部組件的電荷積累和耗散。
圖 1：人類太空艙在地球靜止軌道 (GEO) 環境中的 EMA3D Charge 充電模擬
當電荷積累時，它會感應電場。電場的強度可能超過空氣、塑料或電介質的擊穿極限并導致靜電放電 (ESD)。放電造成的損害可能導致任務完全失敗。
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直到最近，將衛星送入軌道的火箭在使用一次后就被完全丟棄了——大多數發射仍然經常這樣做。在過去的一年里，第一代可重復使用衛星發射已經得到驗證，可重復使用發射的商業案例也已經完成。
作為國防高級研究計劃局 (DARPA) 實驗航天飛機 (XS-1) 計劃的主要承包商，Masten Space Systems 正在開發一種運載火箭，其設計創新側重于下一代可重復使用性
據業內人士透漏：南京航天國器智能裝備有限公司將攜新型縱列式雙旋翼無人直升機亮相2022年第十四屆中國航展（珠海航展）。國產“支奴干”型無人直升機要來了！
說起大名鼎鼎的美國"支奴干"直升機，有網友認為連俄羅斯都仿制不出來。其實類似“支奴干”這樣的縱列雙旋翼直升機
同時，德國的Sanger計劃提出兩級入軌航天運載器計劃［30］，并在上述兩項計劃技術后德、法兩國合作JAPHAR計劃研究雙模態超燃沖壓發動機技術和推阻平衡問題［31］。英國2014年公布其佩刀發動機驗證機的發展方案，該發動機的深度預冷技術是解決渦輪沖壓發動機推力陷阱的有效手段。
回收復用難關多
液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置，具有性能高、任務適應強、技術難度大、研制周期長等特點，堪稱航天運載器上最復雜的產品之一。因此，液體火箭動力系統重復使用是實現航天運載器重復使用所必須突破的關鍵技術之一。
摘要:載人登月航天器完成近月制動和著陸下降等空間任務，需要裝載大量推進劑，推進系統方案選擇是航天器總體方案設計優化的重要組成部分。建立了推進系統關鍵組件設計仿真模型，仿真分析了推進系統質量和干重系數隨推進劑裝載量的變化規律，并對比了20 t級載人登月航天器擠壓和泵壓推進系統方案。結果表明:推進系統方案質量與推進劑裝載量有關，推進劑裝載量越大，泵壓推進系統輕量化優勢越大，主要由泵壓系統貯箱質量較輕導致
