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美国私营航天运输系统企业创新解析 (上)

时间:2017年02月03日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:


近年来,美国私营航天运输系统企业发展迅速,新概念、新技术层出不穷,尤其取得了以太空探索技术公司实现“猎鹰”9火箭一子级箭体垂直降落自主可控回收为代表的一系列重大进步。本文综合分析美国从事航天运输系统研究的企业近些年在技术创新、概念创新、集成创新方面的案例并对其进行解析,从而寻找对中国航天创新发展的启示意义。

 

一、创新案例

1.太空探索技术公司及“猎鹰9火箭

201649日,美国太空探索技术公司的“猎鹰”9 v12火箭从肯尼迪航天中心卡纳维拉尔角发射场发射升空,执行其第8次国际空间站商业货运补给服务合同。火箭成功将有效载荷送入预定轨道,并成功在大西洋上回收火箭一子级。这是人类历史上首次在海上实现火箭自主垂直可控回收。

在运载火箭研制与发射中, “猎鹰”9火箭在动力系统射前和飞行过程中全面采用健康监测和故障诊断技术;在结构设计中采用轻质化、高可靠的贮箱结构材料和产品化的一二级贮箱结构设计理念;在飞行控制中采用轨道在线规划及控制重构技术;在远程测试与在轨运行管控中充分利用信息化技术; “重型猎鹰”火箭更是将应用推进剂交叉输送技术。在垂直起降可控回收技术方面, “猎鹰”9火箭突破了动力系统推进剂流量调节及管理、高精度导航及姿态控制、箭体回收可伸缩支架设计等关键技术。

太空探索技术公司大胆、务实的创新意识是其加快运载火箭研制进度、降低火箭产品成本、实现运载火箭一子级自主可控回收的关键。剖析其创新的特点,主要体现在如下几个方面:一是将现代信息技术与运载火箭应用充分结合,如远程测试技术、控制重构技术、高精度导航与制导控制技术等。它们通过现代信息技术的进步推动运载火箭技术水平的提高。二是在创新中不断完善并持之以恒,典型案例就是依靠火箭发动机实现垂直起降自主可控回收。“猎鹰”9火箭经历4次失败方成功实现海上回收,如果没有面对失败的宽容和坚持下去的勇气,这项技术也很难取得历史性突破。三是在继承性的基础上不断进步,典型技术是其“隼”系列发动机。“隼”系列发动机的设计基础是美国阿波罗计划登月舱的下降级发动机。太空探索技术公司根据其技术基础不断改进,目前的“隼”1D发动机已经成为业界标志性的“神机”。

2.蓝色起源公司及“新谢泼德”火箭和一系列发动机

20l 51124日,美国蓝色起源公司的“新谢泼德” (New Shepard)火箭成功地在进行亚轨道飞行试验后实现可控着陆,成为了首款在发射后成功实现软着陆并回收的火箭。同时,2016123日、42日,成功回收后的“新谢泼德”火箭第2次、第3次进行了点火发射,并再次成功回收。上述一系列标志性成果将蓝色起源公司的知名度推向高峰。综合分析其创新点,其创新能力决不局限在基于垂直起降的亚轨道太空旅游飞行器。

蓝色起源公司特别注重发动机的研制。“新谢泼德”火箭采用的BE3发动机为其自行研制,采用液氧和液氢作为推进剂,推力可在89489kN之间连续调节。BE3改进后可成为执行轨道发射任务火箭的上面级发动机“BE3U”。此外,蓝色起源公司已经与美国联合发射联盟公司(ULA)合作开展BE4发动机研制。BE4是一种富氧分级燃烧循环液体火箭发动机,海平面推力为24255千牛,采用液氧/甲烷推进剂,通过先进的设计和制造技术提高经济可承受性和重复使用能力。目前BE4研制进展顺利,2016年将进行发动机试车,201 7年达到飞行准备就绪状态。BE4发动机被定义为俄制RD180发动机的替代产品,将装备美国后续主力运载火箭,为美国航天应用提供全新的机遇。

蓝色起源公司对自己的研制计划一直透露甚少,为其蒙上了一层神秘面纱,直到2015年其连续进行“新谢泼德”亚轨道飞行演示验证外界才对其有了深入了解。蓝色起源公司技术创新呈现两个特点:一是模式创新,实施面向新的“亚轨道太空旅游”的概念,这是私营商业公司在航天盈利能力上的创新;二是将产品创新与行业发展相结合而专注于新型发动机研制,可以说如果蓝色起源目前的发动机研制顺利,其将在美国未来运载火箭研制中占据绝对的有利地位。

 

(作者:陈海鹏 魏威 牟宇 李强)
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