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國外國防科技文獻資料快報

2012年世界航天工業發展回顧——航天運載器及技術

2013-01-07

2012年,國外航天運載器及其技術繼續發展,在重要型號、發動機技術、防熱系統技術、火箭制造技術等方面取得了重要進展。具體概述如下:

一、航天運載器

1. “獵鷹”-9火箭完成“龍”飛船發射任務

2012年10月7日,美國國家航空航天局(NASA)和太空探索技術(SpaceX)公司利用“獵鷹”-9火箭發射了“龍”飛船,該飛船已于10月10日與國際空間站成功對接,NASA完成了第一次商業貨運補給任務。在火箭飛行79秒時,第一級9臺“隼”發動機中代號為1的發動機燃料管路壓力下降,控制系統發出關機指令,發動機停止工作。此后,箭上飛行計算機重新計算了新的上升軌跡,另外并未受到影響的8臺發動機把龍太空艙送入了正確的軌道。“獵鷹”-9第二級沒有足夠的推進劑把有效載荷OG2衛星送入預定軌道。

2. 法國和德國在發展歐洲主力運載火箭方面存在分歧

歐洲將對“阿里安”-5之后新的主力運載火箭進行投資研究。德國提議歐洲應首先發展“阿里安”-5中期漸進(“阿里安”-5ME)運載火箭,集中力量投資這種火箭。“阿里安”-5ME與“阿里安”-5相比采用了新的上面級,比目前的“阿里安”-5ECA型火箭的運載能力提高20%。而法國則支持發展“阿里安”-6運載火箭,該型火箭的地球同步轉移軌道運載能力為3噸~8噸,可靠性高于“阿里安”-5系列火箭,成本比“阿里安”-5低,并能夠實現更高的發射頻率。

3. 俄羅斯“質子”運載火箭發射再次失敗

2012年8月6日,俄羅斯“質子”-M火箭攜帶兩顆通信衛星發射升空。“質子”-M火箭前三級工作正常,第三級與“微風”-M上面級按預定程序正常分離,隨后“微風”-M上面級主發動機完成了兩次點火,在第三次點火7秒時主發動機因故障出現異常關機,導致“微風”-M上面級和兩顆衛星滯留錯誤軌道。俄羅斯航天局宣布發射失敗。2010年12月以來,俄羅斯已經連續遭遇7次航天任務失敗,損失了8顆衛星、一艘貨運飛船和一個火星探測器。7次失敗中有6次是火箭故障造成的,其中“質子”火箭失敗3次,均為上面級故障,損失了5顆衛星。

4. 日本繼續推進新型固體運載火箭的研制工作

2012年10月,日本宇航探索局(JAXA)宣布將在2013年夏發射首枚輕型“艾普西隆”運載火箭。“艾普西隆”使用H-2A火箭固體助推器作為第一級,M-V火箭上面級升級后作為第二級和第三級。該火箭能將1200千克的有效載荷送入近地軌道,能將450千克的有效載荷送入500千米的太陽同步軌道。“艾普西隆”降低發射成本的措施是實施高效的發射操作,采用了具備人工智能的航空電子設備系統,這類系統設計具有高度智能使運載器自動執行檢測,并通過高速網絡與地面支持設備連接在一起。“艾普西隆”火箭由于具備自動檢測能力,可以使用一臺臺式計算機實現火箭的發射控制。此外,“艾普西隆”火箭的自動檢測能力將極大減少工作量和人力。而且該型火箭在設計時減少了火箭元件的數量,簡化了火箭的裝配工作,這使得火箭在第一級安置在發射臺后1周內實現發射成為可能。

5. 美國軍方停止了重復使用助推飛行器的研究工作

2012年,美國空軍研究實驗室(AFRL)取消“重復使用助推飛行器”(RBS)項目,主要原因是由于空軍預算削減。2011年,美國空軍授權3家公司研發RBS體系架構的合同,其中包括波音公司、洛克希德·馬丁公司、安德魯斯太空系統公司,空軍原計劃從中選擇一家承包商建造被稱為“RBS探路者”演示驗證飛行器。洛·馬公司已經按預期完成了硬件測試。RBS是一種可重復使用的垂直起飛水平著陸飛行器,該飛行器可用于取代一次性運載火箭“德爾它”-4和“宇宙神”-5,可較大幅度降低發射成本。

6. 美國SpaceX公司研制重復使用“蚱蜢”火箭

2012年11月,SpaceX公司試驗了新型“蚱蜢”火箭,該火箭在8秒鐘的試驗中升起了近兩層樓高。“蚱蜢”火箭是重復使用運載器的樣機,主要用于測試垂直起降技術。“蚱蜢”高32.3米,裝配有四個著陸支架和一臺“隼”-1D發動機。SpaceX公司計劃將“蚱蜢”用作“獵鷹”-9火箭的第一級,如果“獵鷹”-9兩級都使用“蚱蜢”,則可以形成完全重復使用的運載器。

二、火箭發動機技術

1. NASA升級用于新的重型運載火箭的RS-25發動機控制系統

2012年10月,NASA開始著手對RS-25發動機控制系統進行升級。RS-25發動機是一種泵壓輸送、高壓補燃、液氫/液氧發動機。推力可以進行調節,也可在較高高度上中止飛行。該發動機由普·惠洛克達因公司設計制造,RS-25發動機采用分級燃燒循環。NASA升級RS-25發動機控制系統的基本思路是把新的重型運載火箭上面級J-2X發動機的控制系統用于RS-25。NASA馬歇爾航天飛行中心計劃用一年的時間進行RS-25新控制系統的設計和試驗,預計2014年在NASA斯坦尼斯中心進行裝備新控制系統的RS-25發動機的熱點火試驗。NASA稱其遠期目標是使用相同的硬件設計制造多種發動機控制系統,即通過相同設計、只經過局部改變制造RS-25、J-2X以及未來多種發動機控制系統,實現降低成本的目標。

2. 美國重型運載火箭上面級發動機J-2X成功進行點火試驗

2012年,NASA成功完成了新的重型運載火箭上面級發動機J-2X的點火試驗。6月的點火試驗持續了1150秒,期間進行了節流試驗;2012年7月的點火試驗持續1350秒。J-2X發動機是“土星”-5火箭J-2發動機的改進型,由普·惠-洛克達因公司制造,采用液氫/液氧推進劑,燃氣發生器循環。此外,J-2X發動機的控制計算機采用新型嵌入式操作系統和軟件,在發動機控制和系統診斷方面具有強大功能。J-2X發動機的控制系統由兩條獨立的線路組成,如果一條線路出現故障,則另一條線路能夠馬上接管控制。

3.意大利與俄羅斯聯合研制的液氧/甲烷發動機成功進行點火試驗

2012年9月,俄化工自動化設計局宣布成功進行了推力為7500千克的液氧/甲烷發動機試驗,該次試驗是意大利航天局與化工自動化設計局的研究合作項目。歐洲正在以意大利為主研制“維加”火箭之后的“天琴座”火箭,意大利航天局希望利用液氧/甲烷發動機相對成本較低、推力性能與液氧/煤油近似的特性,將其用于“天琴座”運載火箭上面級,期望在發射成本不增加的條件下提高火箭運載能力。

三、重復使用運載器防熱系統技術

1. 輕質低成本可重復使用航天器防熱系統技術

2012年,美國波音公司研制的太空機動飛行器技術驗證機X-37B再次成功進行了飛行驗證,實現了韌化單體纖維抗氧化復合材料防熱系統(TUFROC)的驗證應用。TUFROC熱防護系統也是繼美國航天飛機防熱系統之后,20多年來第一種成功用于航天器重返大氣層飛行的新型重復使用防熱系統。該防熱系統能承受1700℃的高溫,而且可以重復使用;該防熱系統密度低、質量輕;其制造周期短、成本低。這種新型防熱系統在技術上取得的突破,不僅使航天器能夠在極端惡劣的再入環境中承受高加熱率,而且有潛力大幅降低重復使用航天器防熱系統的成本,縮短制造周期。

2. 銳邊飛行器防熱系統技術

2012年6月27日,德國航天局“銳邊”航天器第二次飛行試驗獲得成功。“銳邊”構型設計使防熱瓦外形相對簡單,每塊陶瓷基復合材料防熱瓦均由一個中心柱和四個活動支架支撐,在防熱瓦下面安裝了輕質纖維陶瓷絕緣墊。這種設計可確保材料的熱膨脹不會被抑制。防熱瓦之間連接處的密封設計采用了基于氧化物陶瓷的復合材料。“銳邊”飛行器還驗證了一種主動冷卻技術。銳邊飛行器驗證的新型防熱系統與目前航天飛機以及飛船再入大氣層時使用的燒蝕防熱等被動防熱方式,以及在防熱系統構型設計方面有本質區別,不僅能夠耐受被動燒蝕防熱所無法抵御的高溫環境,而且維護成本低,能提高飛行器再入安全性。

四、運載火箭零部件加工技術

2012年,NASA提出將利用一種類似于3D打印的技術為新的重型運載火箭制造零部件。這種技術名為選擇性激光熔凝(SLM)技術。NASA馬歇爾航天飛行中心將采用這種先進技術制造復雜的金屬零部件,用于“航天發射系統”重型運載火箭。選擇性激光熔凝技術的工作原理為:利用一臺高能激光器按照設計樣式熔凝容器中的金屬粉末,激光器將使金屬粉末一層層地生長,熔凝成需要的零部件。利用這種技術能生產出由3D計算機輔助設計出來的擁有復雜幾何形狀和精密機械性能的零部件。選擇性激光熔凝技術能較大幅度地降低制造零件所需的時間從數月降低至數周,提高了經濟可承受性。由于不再需要把零部件焊接到一起,使系統的結構強度提高。NASA將在2012年底對J-2X發動機進行熱點火試驗時,發動機的部分零部件即應用選擇性熔凝技術制造。(中國航天系統科學與工程研究院)

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