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    國內首次3D打印制造的火箭發動機完成真實飛行工況考核,低空垂直回收飛行試驗圓滿成功

    國內首次3D打印制造的火箭發動機完成真實飛行工況考核,低空垂直回收飛行試驗圓滿成功

    • 分類:新聞中心
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2021-08-03 10:57
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    【概要描述】

    國內首次3D打印制造的火箭發動機完成真實飛行工況考核,低空垂直回收飛行試驗圓滿成功

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    • 發布時間:2021-08-03 10:57
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    詳情

    星云-M”1號試驗箭首戰告捷

            20217月,坐標陜西銅川深藍航天試驗基地,隨著發動機轟鳴噴焰,深藍航天星云-M”1號試驗火箭完成了首次垂直起飛和垂直降落(VTVL)自由飛行,即被稱之為蚱蜢跳的運載火箭垂直回收飛行試驗,試驗任務取得圓滿成功。

     

        本次試驗飛行創造了中國民營航天的多個第一

            1、首次圓滿完成由泵壓式發動機作為主動力的液體火箭垂直起降;

            2、首次實現了液氧煤油發動機和火箭全系統的協調工作與實際飛行;

            3、首次由3D打印制造的火箭發動機完成真實飛行工況的考核;

            4、首次單臺發動機試車、飛行重復使用累積超過10次,初步驗證發動機工程化可重復使用的能力。

        此次星云-M”液體回收1號試驗箭垂直回收飛行試驗,實際飛行彈道最高點的相對高度近10米?;鸺谄痫w后按照預定軌跡飛行、爬升至預先設定的最高點后平穩下降,按預定姿態和速度約束飛行至預定著陸點,發動機按照高度和速度判據正常執行關機,箭體觸地時刻縱向速度、俯仰/偏航姿態偏差滿足預定要求,經著陸緩沖機構緩沖后,火箭實現平穩軟著陸。

     

        火箭上安裝的單臺雷霆-5”發動機,按照預設控制程序精準完成了上升段與下降段的實時推力調節,飛行過程中實際推力調節范圍為60%~100%。飛行全程箭體姿態穩定受控、著陸平穩;著陸后經全箭綜合測試,各項技術指標正常,火箭及發動機狀態良好,滿足再次復飛的指標要求。

        本次試驗所用的星云-M”1號試驗箭,經歷了三次地面靜態點火測試,總計時間超過了130 ;所配套的雷霆-5”型發動機,本次飛行前先后參加多次地面點火試車、全箭靜態點火測試,同一臺發動機的累計工作次數超過10 、累計工作時間超過500s ,基本均為大范圍變工況工作狀態。

        通過系列點火測試和飛行試驗,有力地證明了火箭和發動機產品初步達到了可重復使用的預期設計目標,為工程化可重復使用的火箭和發動機產品積累了寶貴的研制經驗和實際使用數據。

     

        本次試驗標志著深藍航天回收復用火箭技術取得重大突破:

        成為國內第一家成功使用泵壓式發動機完成液體火箭垂直回收飛行試驗的公司,標志著中國液體火箭重復使用技術探索邁出了重要一步。

     

    關鍵技術突破

        深藍航天在火箭垂直回收復用領域的多項關鍵技術,也在本次飛行試驗中得到了充分驗證,為繼續開展更大規模的回收復用試驗奠定了堅實的技術基礎:

        一:飛行過程中泵壓發動機的大范圍推力調節

        發動機的大范圍推力調節是液體火箭垂直回收的基礎,在火箭垂直回收著陸的過程中,需要通過發動機的大范圍推力調節來保證全箭下降和著陸過程中的過載要求,并將最終落地速度能控制在預設的范圍之內。

        對于泵壓式發動機,實現大范圍推力調節往往需要多個調節元件來實現,調節控制規律復雜,同時噴注器、渦輪泵等多個關鍵組件也需具備在不同的推力調節工況下可靠工作的能力。

     

        “星云-M”液體回收試驗箭使用的雷霆-5”發動機為國內首型針栓式電動泵液氧煤油發動機,使用3D打印技術完成制造,真空推力50kN,通過電動泵可實現50%-110%推力調節,通過針栓式噴注器實現發動機不同工況的穩定工作。

     

        本次飛行試驗精確完成了多次發動機推力大范圍調節,實現了對箭體上升和下降的控制,發動機全程工作正常,雷霆-5”的推力大范圍調節能力在經過多次地面靜態點火的考核后,得到了實際飛行的驗證。

        二:垂直回收控制制導技術

        垂直起降火箭相較于傳統一次性使用的運載器,在飛行過程中,箭上控制制導不僅要維持上升段的姿態穩定,還要能夠對下降段的速度和位置進行控制,以實現其著陸于指定地點的目標,這對控制制導算法和控制方式的結合提出了更高的要求。

     

        此次飛行試驗中,針對電動泵發動機的響應特性,設計了有別于傳統的迭代控制制導算法并首次應用:基于慣性+RTK”的組合導航信息,由箭上飛控計算機實時驅動泵電機、雙擺伺服和RCS 冷氣姿控系統相結合,實現了預期的平穩飛行及著陸,垂直回收控制制導技術得到了充分的實踐檢驗。

        三:著陸緩沖機構對箭體的緩沖保護

        火箭回收過程中需要高可靠的著陸緩沖機構減緩著陸瞬間的沖擊過載,使箭體平穩著陸。著陸緩沖機構要有較好的強度和緩沖功能以及對傾斜姿態、殘余速度的適應能力,從而保證著陸姿態的穩定性,同時由于著陸支腿靠近發動機,還要具備承受發動機噴流反沖的熱防護能力。本次星云-M”著陸過程箭體姿態穩定,全箭結構完好,著陸支腿順利實現了著陸緩沖保護的設計目的。

        深藍航天在對本次試驗的數據進行完善分析的同時,星云-M”火箭2號試驗樣機正在公司位于江蘇南通的總裝廠房內,快速進行總裝和測試工作。同時,公司還將在2021年內陸續實施百米級低空飛行和高空垂直起降回收飛行試驗。

        同時,深藍航天主打產品星云-1”入軌火箭已在去年完成一子級箭體結構樣機生產和強度測試,軌道級發射及垂直回收試驗也將按計劃逐步實施。

    ▲“星云-1”入軌火箭一子級結構于2020年通過聯合靜力試驗和低溫爆破試驗考核

     

            20197月,同樣是在經歷數次地面靜態點火之后,被SpaceX公司稱為Starhopper星艦原型機完成了首次的垂直起降,向上飛起約20米后平穩落回了地面,整個飛行過程持續約10秒鐘。美國權威媒體報道稱,雖然以高度來說這只是小小的一步,但卻是SpaceX新一代回收火箭和引擎首次不連接地面設備的的自由飛行,有著劃時代的意義。

     

    Starhopper星艦原型機

    20197SpaceX在得克薩斯州成功進行了Starhopper的首次高度約20米的垂直起降飛行測試

    圖片來源:互聯網

     

        星辰大海是征途,坎坷艱辛唯不悔。本次垂直回收飛行試驗僅僅是深藍航天在回收復用領域探索征程的階段性勝利,深藍航天將勇于創新、無畏前行,為中國航天徹底掌握應用火箭回收復用技術奮斗。

     

    擴展閱讀

        液體火箭的垂直回收概念提出較早,此前的很長一段時間主要的技術發展都由美國完成。在早期的技術探索上,比較著名的是20世紀90年代的美國麥道公司的DC-X概念驗證機和2009年開始比較活躍的美國Masten公司的XA-0.1系列擠壓式發動機垂直起降驗證平臺。

      

    左圖:麥道公司DC-X   ▲右圖:Masten公司Xodiac(圖片來源:互聯網)

     

        真正將垂直回收技術應用在液體火箭領域的,是目前國際商業航天領域的領頭企業SpaceX與藍色起源。

            SpaceX公司先后建造了兩架垂直回收驗證試驗火箭GrasshopperF9R Dev,使用的均為其應用在Falcon 9運載火箭上的Merlin 1D液氧煤油發動機。在使用GrasshopperF9R Dev完成了多次低空垂直回收飛行驗證后,SpaceXFalcon 9火箭的正式入軌發射任務中進行了多次一子級垂直回收嘗試,并最終取得了成功。目前SpaceX已徹底掌握了垂直回收技術,并繼續在新研發中的Starship上開展垂直回收驗證。

        藍色起源公司的New Shepard亞軌道火箭,使用BE-3液氫液氧發動機,目前也已經完成了多次高度約100km的垂直回收飛行,并于2021720日執行了首次載人飛行。

    藍色起源公司New Shepard

     

        國內首次完成液體火箭垂直回收飛行嘗試的是翎客航天的RLV系列垂直回收驗證機。該火箭安裝了5臺推力300公斤量級、推力可調的擠壓式發動機作為主動力,使用液氧/酒精作為推進劑,于20198月實施了垂直起降飛行。

    翎客航天公司RLV-T5試驗火箭(圖片來源:互聯網)

     

        擠壓式發動機具有結構簡單可靠、推力調節實現容易、調節響應速度快等優點,在航天器的姿態控制、星際探測器下降發動機(如嫦娥系列月球探測器和天問一號火星探測器等)得到了非常廣泛的應用。但受限于擠壓式推進劑供應系統,在大推力、長時間工作的工況下會導致推進劑供應系統結構重量增加。

        泵壓式發動機的結構相對復雜,實現推力可控調節的難度大,調節響應相對緩慢,但更適應大推力、長時間工作的工況,可以有效降低運載火箭的推重比,主要應用在運載火箭的主動力發動機上,是國際現役運載火箭主要使用的發動機類型。

    本文來源:3D打印技術參考

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