欢迎访问北京航宇天穹科技有限公司官方网站!

在线留言

LOGO

发布时间:2019-09-20 00:00:00

头部右上角

发布时间:2019-09-25 00:00:00

 

新闻动态

——

航宇天穹
资讯分类
航宇天穹

电话:010-68869500

邮箱:hr@highersky.com.cn

地址:北京市石景山区老山西街8号-4

 

/
-
中国航天秘密试验这一先进技术,未来或将与美帝并驾齐驱!

新闻动态

中国航天秘密试验这一先进技术,未来或将与美帝并驾齐驱!

2019-07-28 10:35

饱含“惊喜”的一次发射

7月26日11点57分,我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭,成功将遥感三十号05组3颗卫星送入预定轨道,发射取得圆满成功。
中国航天科技集团

好吧,又是一次成功发射,航爱网小编们又开始了例行的收图和完善发射预报,好像没什么特别的地方。

 

这图片不对劲啊,今天发射的长征二号丙火箭有些“别扭”

中间灰色这部分是什么玩意?放大一看!

 

我去,这不是栅格舵么?在SpaceX猎鹰火箭上已经司空见惯的东西怎么突然出现在我国的长征火箭上了?

栅格舵几乎已经成为猎鹰系列火箭的标志

 


 

金牌火箭“长二饼”

 

“长征二号丙”(CZ-2C)是由中国运载火箭技术研究院(因院址主要位于北京市丰台区东高地地区,因此被网友俗称“东高地”)抓总研制的两级一次性液体运载火箭,火箭长43米,一、二子级直径3.35米,起飞重量约242.5吨,主要用于发射低轨和太阳同步轨道卫星。长二丙于1982年9月首次成功发射,后续又研制了长征二号丙/SMA、长征二号丙/SM火箭。长征二号丙火箭早年曾执行过铱星的商业组网发射,而昨天这次发射已经是长二丙的第54次发射,同时也是我国的金牌火箭之一

这是长二丙平常的样子,红框处是此次格栅舵安装处,位于级间段

解剖来看就是安装在图中8、9的位置外的箭体上,但实际图中所指是二级发动机YF-24E,它由1台YF-22E和4台YF-23C游机组成

 

作为一型已经服役37年的火箭型号,突然出现肉眼可见的设计变更让对老一代长征火箭已经审美疲劳的航天爱好者们十分意外。因为传统意义上一个火箭型号设计定型后,尤其是通过大量实际发射已经证明其成熟可靠之后,除非有任务需求或其他特殊原因,修改原设计必须是慎之又慎的!那么这4个格栅舵加上去又是为了什么呢?肯定不是提升运力,难道也要进行炫酷的火箭回收么——抱歉,暂时不要想那么多好撒!

 

火箭残骸——落区人民苦其久矣

那这次的栅格舵到底是干嘛的呢?是进行火箭残骸可控坠落的技术试验。那这种试验的地位如何呢?在执行重要发射任务的成熟运载火箭型号上加装栅格舵来试验可回收(定点坠落)技术,除SpaceX之外我们是全世界头一家。称之为唯二并不过分,即使在美国也是只此一家别无分号(什么?你说蓝色起源,那不能入轨的玩意不在讨论范围内),近年来SpaceX的火箭回收红红火火,风头一时无两,但其实纵观世界主流航天国家和组织,如俄、欧、日、印对回收都几乎没有实质性动作,继续坚定一次性运载火箭路线不动摇。所以在这种环境下,中国航天人在一款已经有37年服役史的金牌火箭上开刀进行试验是需要很大勇气的我们来看研制队伍的说法:

 

但研制队伍并不满足与此,他们始终保持创新意识,不断赋予长二丙火箭新的能力。长二丙火箭副总设计师崔照云介绍说,本发火箭上,研制人员将对落区控制相关技术进行验证,以期日后缩小落区范围,更加精准地控制火箭残骸落点位置。
中国航天科技集团微信公众号

 

落区是啥?为啥要安装栅格舵缩小落区?这还要从头说起,由于特殊的历史原因,我国太原、酒泉、西昌三座发射场都建在内陆地区,执行发射任务时火箭的飞行路线不可避免的经过我国广袤的陆地地区。在上世纪由于航天发射次数少,经济欠发达,火箭飞行路线下方的残骸落区的居民数量较少,落区协调和军地保障工作的矛盾还不算突出。但随着改革开放后我国经济的飞速发展,基建和居住分布的变化,加上近年我国航天发射次数的激增,落区协调工作变得愈加复杂,加之本身火箭残骸属于无控坠落(去年流行词),实际落点与理论落点有一定的随机偏差,对范围内建筑和群众都有风险。而发射方为了让理论落点规避开密集的居民区,任务时序设置也会有所调整,不仅增加了额外工作量,更导致了火箭本身运力的额外损失

其中尤以纬度最低的西昌发射矛盾最为突出,以航爱网常见的飞行路线和落区图为例,上图是一次长征三号乙火箭的北斗发射,图中亮眼的黄线是火箭的飞行路径,正好横穿过我国的长江以南地区。图中三个红框从左至右分别为四枚助推器落区、火箭一级落区、整流罩落区,熟悉地图比例尺的同学们一看就知道这三个红框是多么大的一片区域,发射时红框内居民都需要外出躲避从天而降的火箭残骸(也有懒得躲的)。白天躲起来还好,但因为西昌的地理位置和任务特点,很多发射都是半夜点火,居民只能深更半夜出来躲火箭

由于火箭残骸受高空风、云层、箭体姿态、剩余推进剂等多种不确定因素制约,其落点很难精确预报,只能画框框,这个框框具体有多大呢?

图自《火箭残骸落区预警区域危险系数计算》,作者:周张华、胡建中

从上表可以清晰看出,残骸实际落点相对于理论落点,其偏差可能高达十几到上百公里不等(截至2012年数据)。以长三甲火箭落点为例,落点围绕理论落点在统计学上近似正态分布。这个落区范围和不确定性大家应该已经有了概念,那火箭从天而降砸到民房后到底是啥样呢?

 

2007年10月25日,贵州福泉,搭载“嫦娥一号”卫星的长征三号甲运载火箭一级残骸砸坏当地一间民房,来源:新华网

《嫦娥三号火箭残骸砸穿湖南两民房 村民获赔万元》,来源:新华网,2013年

 

有关于火箭残骸落区这个话题,曾有一部纪录片《天降》,但后由于种种原因,本片在国内已经被禁。

我和大多数人一样,一直以为火箭残骸的回收降落一定是在一些空旷的无人区,比如沙漠和大海。却完全没想到,它竟然会是降落在和我们自己的家园一样普通的有人居住的地方。世世代代以来,他们就是聚居在这片土地上,鸡犬桑麻,婚丧嫁娶,生老病死。但从某一天起,这700多平方公里上的16万余人就突然宿命地集体背负了“等待彗星”的命运。天上时不时会有奇怪而危险的彗星一样的天外来客降临在他们头上。……都有可能在每一次的卫星发射中被来自天空的残骸砸中。他们共同背负了这种奇怪的命运近二十年的时间,并且,随着国家航天实力日渐强大,这样的命运还将继续背负下去……
《天降》导演张赞波,敏感发言有删减

面对未来更加频繁的发射,为了保障人民的生命财产安全,同时减少军地划分落区,回收,疏散的成本,这个问题势必要得到解决,解决无非有两个方案:

  • 把发射场挪走,都像文昌一样挪到海边,东向发射把残骸扔到茫茫大海。

  • 改进运载火箭,让火箭残骸可以受控精确坠落,或者是干脆像猎鹰9一样回收回来。

     

 

方案一限于发射需求和种种原因,不可能都挪到文昌,即使是低轨或同步轨道任务,也只能逐步转移,问题还是得不到根本解决。所以方案二的受控精确坠落就成为了目前唯一可行的方案!比如说,将现有数百平方公里的庞大落区缩小到只有100米X100米怎么样?

 

那么问题来了,怎么缩小落区呢?

用栅格舵!

 


 

栅格舵——并不新鲜的“新鲜”玩意

 

 

栅格翼是一种新型控制稳定面,由多个薄的栅格壁板构成。它作为一种新型升力面和控制面,在亚声速和高超声速阶段有比平板翼更优秀的气动特性,可用作稳定翼全动式舵翼以提高弹箭的机动性,增加其稳定性和可控性。与传统平板翼相比,栅格翼具有一些独特优点,在相同的外形尺寸下,栅格翼的升力面积比平板翼大得多具有较高的强度质量比;栅格翼弦向尺寸小,可以紧贴主体折叠安装,而不增加主体的外形尺寸;在控制效率和铰链力矩特性方面优于传统平板翼。对于炸弹和导弹等飞行器,栅格翼缺点主要是相较于平板翼阻力较大,而对于高速返回的火箭芯一级箭体,这个缺点却成为了优点,可以提供额外的气动阻力,减小火箭芯一级残骸返回速度。
《栅格翼在减小火箭残骸落点散布上的应用》,作者:贾洪印 等

虽然上文说这是一种新型稳定面,但其实栅格翼(舵)本身其实并不是什么新鲜东西。在应用上主要分为两大类,一类是栅格翼,一类是栅格舵两者看似一字之差,其实是天壤之别,栅格翼是的角度是固定的,主要起到理顺气流稳定姿态的作用,无法控制飞行器的方向,比如著名的联盟和神舟系列载人飞船,在飞船整流罩四周就安装有4个栅格翼,逃逸时展开后无法转动,主要起到稳定逃逸组合体姿态的作用。

 

联盟TMA-6飞船整流罩上安装的栅格翼面

这几个栅格翼经常被网友误认为栅格舵,一提起猎鹰9安装栅格舵时总有人蹦出来说“神舟飞船早就用过了,没什么新鲜的”,殊不知其实这是两种作用不同的东西,只是看着像而已。

其实体制内是分的很清的,翼舵两者并不相同,上图出自《通天神箭——解读载人运载火箭》,主编黄春平。

长二丙火箭副总设计师崔照云向记者表示:“之前应用于中国长征二号F运载火箭上的栅格翼展开后是固定不动的,近几年国外火箭才逐渐开始通过可摆动的栅格舵来控制箭体的方向和姿态。本次试验采用栅格舵控制残骸落点,是中国首次尝试。”
中新社北京7月28日报道

图自《栅格翼在减小火箭残骸落点散布上的应用》,作者:贾洪印等

接下来再说栅格舵,他和栅格翼的最大区别在于栅格舵翼面是可以转动的因为栅格长度较短,其优点在于随着迎角的变化气动压力中心漂移较小,可有效减小铰链的力矩,降低对舵机出力的要求,显著减轻舵机质量。使其在亚音速和超音速阶段皆能有效控制飞行器姿态,在需要大范围和大控制力矩的导弹(炸弹)上应用较为广泛。

 

在MAKS-2009航空展上展出的RVK-AE(R-77)导弹,左侧是典型的平直翼导弹

比如著名的R-77空空导弹,每个栅格舵由包含刀片状网格组件的金属框架组成,利用大迎角状态仍能保持良好线性,不易失速的特性,在较高马赫数的超声速气流中,在相同的外形尺寸下,栅格翼的升力面积比平板翼大很多,所以,栅格翼的升力特性在超声速下比平板翼好得多。在研发时,设计人员耗时3年摸清了栅格舵的控制率,他们利用它产生了比传统翼面更强大的控制力矩。使导弹在大迎角时发生的气流分离显著增强了其转向能力,使导弹的最大转向速率高达每秒150°(近乎于一秒掉头)。然而,R-77的更新版本,例如用于Su-57的izdeliye 180,却换回了传统平直翼,令人费解。

 

当然美国人也没闲着,著名的“炸弹之母”采用了栅格舵,英文缩写MOAB,俗称Mother of All Bombs,但其实是Massive Ordnance Air Blast的缩写。MOAB重达9.8吨,相当于11吨TNT当量,似乎只有栅格舵产生的巨大控制力才能驾驭得了这恐怖武器。

MOAB撞地爆炸前的抓拍,其控制方式与火箭受控坠落模式如出一辙

 

刚刚首飞成功的双曲线一号也用了栅格舵,不过这是用在上升段

(图自南京邮电大学校友会办公室)

然还有栅格舵栅格翼组合使用的案例,比如著名的的RSD-10“先锋”(北约代号SS-20)导弹。

 

左为SS-20,右为美制潘兴2导弹

注意上图底部,SS-20底部的栅格翼一旦展开便在气流洗刷作用下固定不动,起到稳定导弹方向姿态作用;相邻的格舵则随舵机转动,用以控制导弹方向。

讲完了格舵的区别,我们来说说这玩意在火箭残骸回收上怎么用。

 


瞄准更小的区域,坠落!

众所周知,猎鹰9通过栅格舵、 RCS (反作用控制系统,下图喷气那玩意)、发动机节流反推三者结合,达到了近乎“正中靶心”的精准回收,三者的组合运用使火箭如孙悟空手中的金箍棒一样上下翻飞灵活自如

但是,猎鹰9的RCS只在分离瞬间、弹道最高点、着陆前才进行短暂使用;发动机反推则一般只安排2-3次,起到掉头、减小再入速度及着陆的作用,而栅格舵在分离后不久就展开,整个回收过程中一直在不断调整迎角,借以修正箭体姿态,可以说栅格舵的长效作用,对回收成功立下了汗马功劳。当然,如果栅格舵坏掉了,结果也是很惨烈的,比如去年的CRS-16任务中,4个栅格舵中的一个发生异常卡死,导致火箭姿态异常,其他舵面依据自适应算法奋力纠偏,但仍然难逃坠海宿命。

 

那么,我国是否可以采用这种三种组合的方式实现老一代长征火箭(二、三、四)的精准坠落呢?答案暂时是否定。原因如下:

  1. 猎鹰9的回收首先建立在梅林(Merlin)发动机的可多次重复启动和深度节流特性上,而老一代长征火箭的特殊出身,主要采用有毒推进剂组合(N2O4 / UDMH,详见我国长二丙一级落地,黄烟四起到底怎么回事?——漫谈运载火箭的推进剂),比如长二丙一级使用的YF-20C,这种发动机如果要改成具备多次重复启动和深度节流能力,那无异于推翻重新设计。

  2. 老一代长征火箭基于3.35米直径,一级发动机多采用四台发动机均布的结构,这种结构在贮箱轴线,也就是这中央没有布置发动机。而猎鹰9的中央发动机则对火箭的成功回收起到了重要作用,无论是为了回收大改发动机布置,还是增设回收游机,都形同再设计一款火箭。

  3. 不仅如此,老长征的多助推器设计,还有贮箱和发动机舱的防热设计,在不大改的前提下都难以适应反推回收复用的条件。所以与其魔改老长征,不如另起炉灶基于无毒无污染推进剂设计一款新型可回收火箭。

红圈中的中央发动机对回收至关重要

 

那么是不是我们在老长征上就没什么可做的了呢?

 

 


 

四个苍蝇拍的作用

图片拍自2019年04月24日中国航天日回收技术专场技术交流会,主讲人:龙乐豪

 

诚如演讲中所述,不考虑回收复用,仅仅是采用栅格舵的再入控制能力,就能大幅度缩小落区,甚至是精准坠落,何乐而不为呢?那么中国航天人又做了哪些准备呢?

 

 

PPT中最后一句说得好——即将进行飞行演示验证试验,三个月后,试验来了!

 

红框处为栅格舵的固定及驱动机构

那么具体采用栅格舵能将落区缩到多小呢?笔者搜索了国内对基于栅格翼(舵)对箭残骸落区的研究,首先发现了这么一篇论文。

本以为能搜到一篇署名“北京宇航系统工程研究所”(一部)的文章,结果搜到的却是绵阳那边的文章,书归正传,这篇文章首先建立了一个基于运载火箭一级安装四个栅格翼的仿真模型,请注意,是不可动的栅格翼

二饼啊,你觉得这个图眼熟不?

文中栅格翼采用弧形设计,上升段可折叠安装在箭体上,栅格翼外边框尺寸为1416mm×1208mm,设计了折叠和转动机构。材质为实心全钢,单片栅格翼质量150kg。书说简短,我只说重要结论,具体内容请下载论文自己看。

经过气动仿真得出结论,亚音速段4个栅格翼会增加6%的气动阻力,而超音速段增阻在2%,接下来又采用蒙卡算法计算了栅格翼对落区的影响。

从右图的时间-攻角曲线可见,在安装栅格翼后,火箭一级飞行姿态会在震荡条件下迅速收敛直至稳定,与龙乐豪院士PPT所述一致,此时火箭会进入这样一种状态。

抱歉,拿你举个栗子

 

进入这种状态后,由于稳定性大幅增强,落点散布会迅速缩小,蒙卡仿真结论如下:

由上图可见,落点散布范围从无栅格翼的21.48km × 22.37km缩小至10.03km × 11.28km,与无栅格翼外形相比,落点散布面积减小了约 76%,来张图更直观。

落点散布明显缩小

那么如果我们换用可控的栅格舵,会不会取得更好的效果呢?

 

呀,好像还是这帮人啊,就是把栅格翼换成了栅格舵,红框中写的是啥?我擦擦眼镜再看一遍!

该文为了实现芯一级落点的精确控制,以当前应用较多3.35m直径火箭芯一级为研究对象,在芯一级上加装 4 片栅格舵。呀,咋就这么巧呢?咋又是3.35呢?

二饼啊,你看这个网格眼熟不?

书说简短,略过控制算法阶段,只说结论,对比无控制的栅格翼方案,有控的效果如何呢?

以迎角为例,有控的橙色线相对无控的蓝色线收敛速度大幅加快,火箭几乎没有震荡过程就趋于稳定接下来在整个飞行过程中,制导控制系统能够有效地对芯一级进行制导控制,使一级沿标准弹道飞行,那么最终落点散布如何呢?

虽然这次的蒙卡选点偏少,分布不明显,但是由仿真结果仍然可知,再入过程中,制导控制系统开始工作后,弹道、侧向位移能够向标准弹道靠拢,落点趋向于标准弹道落点,最终一级着陆落点散布竟然小于 100m×100m

 

这无异于精准降落了,虽然这是理论算法,实际哪怕能将落点缩小到方圆1公里内,不仅彻底免去老百姓躲避火箭之苦,落区军地部门也减少了大量规避宣传和动员的工作量,发射方回收火箭也更方便安全快捷,而代价仅仅是四个栅格舵,绝对是一门划算的生意。那么这项技术成熟后,效果仅仅是让火箭定点坠毁么?

 


 

中国特色的回收之路

笔者曾经阅读过多篇有关运载火箭回收的论文,几乎每篇论文开头的规定动作都是罗列一下运载火箭回收的三大流派——伞降派,VTVL派,带翼回收派。笔者认为评价回收复用方案是否优秀的原则应有三点:第一点就是玩得转,第二点是靠得住,第三点是花得起。玩得转就是方案要有一定的可行性,没有颠覆性和过高的技术门槛;靠的住是指这种回收技术能在各种条件下稳定的使用,回收成功率也足够高;花得起是一个经济指标,证明这种回收本身的成本足够低,回收后复用所带来的经济效益(节省)也使得回收本身有意义。而纵观这三大流派,伞降派的代表是已经退役8年的航天飞机固体助推器,他的回收复用从技术上是可行的,但是“靠得住”上来讲并不那么优秀,而“花得起”指标也因为海水腐蚀,回收翻修流程繁复、固体助推器回收经济效益低三大原因变得并不好看,应用在薄壳液体火箭贮箱上更是难度颇高;而带翼回收派的代表是苏联的贝加尔助推器方案,这种方案光在“玩得转”这一步就已经歇菜了,当然这并不一定是技术本身的缺陷。唯一看起来还能满足三个指标的回收方案就只剩下猎鹰系列火箭和蓝色起源旗下火箭所采用的VTVL方案了,这也是目前唯一走通了的方案,要是你在后面,你选哪一条呢?

 

具体这四个栅格舵能干嘛,篇幅所限,我就借用龙乐豪院士的PPT了,重点都给你们标出来了!

 

(全文完)

 

下一篇
下一篇 :

页脚联系我们

发布时间:2019-06-26 00:00:00
联系我们

服务热线
010-68868560

传真:010-68869500
邮箱:hr@highersky.com.cn

地址:北京市石景山区老山西街8号-4

 

 

这是描述信息

页面版权所有©2019 - 北京航宇天穹科技有限公司