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航天科技集团的火箭重复利用的多种方案

翼伞回收助推器:航天科技一院一部(北京宇航系统工程研究所)

群伞回收火箭子级:航天科技一院研发中心

垂直降落式:航天科技八院;航天科技一院研发中心

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航天科技一院研发中心的两种一级可重复使用火箭设想,采用液氧甲烷发动机。

Some researches in CALT

The parachute-landing and propulsion-landing 1st stage recovery launchers have been developed in CALT. The 1st-stage parachute-landing recovery launcher is shown in Fig.1,which contains two stages. The length is about 29m, and the lift-off weight less than 100t. More than 650kg payload capacity can be achieved for 700km Sun Synchronous Orbit. 

The diameter of 1st-stage is 3.35m and 3.0m for 2nd one. The 1st-stage has two main LOX/methane engines with see-level thrust about 600KN. The 2nd-stage has 2 LOX/Methane engines with vacuum thrust about 80KN. The diameter of fairing is 3m. 

The 1st-stage can be recovery and reusable to reduce the launch cost. The parachute recovery system including 2 pilot chutes, 2 drogue chutes and 3 main chutes is to decelerate the 1st-stage after separating from the 2nd stage. The 2nd-stage is not to be recovery. Two airbigs equipped in the head and end of the 1st stage can be a buffer to reduce the load when it is landing. The airbag comprises of an inner and an outter airbags, the outter airbag plays a buffer role and exhausts at the landing, and the inner one does not exhaustand can aviod the 1st-stage hard-lands. 

The 1st-stage propulsion-landing recovery launcher is shown in Fig.2, which is also two-stage launcher. The length is about 37.5m, and the lift-off weight about 184t. More than 800kg payload capacity can be achieved for 700km Sun Synchronous Orbit and more then 1500kg for Low Earth Orbit. The diameter of 1st-stage is 3.35m and 3.0m for 2nd one. The 1st-stage has three main LOX/methane engines with see-level thrust about 600KN. The 2nd-stage has 2 LOX/Methane engines with vacuum thrust about 80KN. The diameter of fairing is 3m. 

The 1st stage was decelerated by the main engine propulsion after separation from the 2nd stage.And the 1st stage lands on a prearranged landing site under the launcher flight trajectory, but return to the launch site, which can ensure the loss of the launcher payloadcapacityowingtostagerecoveryislimited.

A multi-parachute air-drop testing for stage recovery demonstration had been carried out by CALT. The stage model and parachutes are subscaled. Dropping platform is a balloon. The stage model and parachutes were released from the balloon together, and two pilot chutes were opened by the areoforce after the velocity of the model reached a specific value. And the three main chutes also opened successfully in the dropping, and the stage model achieved a steady velocity before landing. The parachute system performed well, the final dropping velocity met the requirement, and condition of the stagemodelwaswell.



中国可回收火箭进入关键技术攻关阶段

       中国运载火箭技术研究院研发中心可回收火箭团队负责人申麟:“并非成功实现火箭可回收就意味着成本的降低。不过,Space X公司的创新精神,以及它从技术、管理两方面综合考虑降低成本的思路,值得我们学习。”

         不过,中国运载火箭技术研究院研发中心一直在预先研究、创新发展方面低调布局,研发可回收火箭,只是由申麟领衔的研发团队工作的一部分,此外,该研发团队还进行新概念运载火箭、新概念飞行器的研究。“可回收火箭研究,对于我们团队而言,只是一个相对比较容易实现的方向。”申麟说。

       中国运载火箭技术研究院研发中心的可回收火箭项目始于2011年,和Space X公司提出的可回收火箭研发计划几乎是同一时间。中国运载火箭技术研究院研发中心在开展可回收火箭项目研发之初,便调研了国内外在可回收火箭方面的一些国外相关公司的研发状况。分析国内外研究方案,火箭的回收方式一般有三种:降落伞式、垂直降落式以及给火箭安装“翅膀”的方式。

        中国运载火箭技术研究院研发中心目前采用“两条腿走路”的方式,采用降落伞+气囊和垂直降落两种方式进行研发。

       “就目前来看,我们在‘降落伞+气囊’方式上的进展会快一些,去年完成的热气球投放试验只是一个缩比试验,但验证了我们使用大型群伞的技术能力。总体而言,我们的可回收火箭研究还处于关键技术攻关阶段。”申麟告诉澎湃新闻。

        对于垂直返回的方案,中国运载火箭技术研究院研发中心完成了系统的方案论证,并且完成了相应的仿真研究。

      “十三五”期间,申麟希望带领团队以现有的研究成果为基础,结合正在论证的采用液氧甲烷做推进剂运载火箭,为真正实现能够大幅降低成本的可回收火箭的研发打下一个良好的基础。


         作为集团公司三大总体院之一、我国运载火箭的主要研制力量——八院,则更侧重垂直降落式回收。“我们一直在紧密跟踪国外航天机构可重复使用火箭的发展情况,尤其是SpaceX公司采用的垂直降落式。虽然猎鹰9这次回收成功了,但是真正的可重复使用火箭依然道路漫长。”八院805所高级工程师、总体室副主任毛承元也呼吁,相较于回收结果,希望大家更多关注的是SpaceX公司的成长,以及相关技术的发展及未来应用。


航天科技一院研发中心进行运载火箭子级回收群伞空投试验


  2015年11月下旬,一院研发中心成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验,这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展,离实现可重复使用又近了一步。

  研发中心试验人员汪小卫介绍说:“这次空投试验考核了群伞系统出伞、展开至稳降的工作过程,获得了稳降速度、着陆过载等相关参数,验证了群伞技术用于火箭子级回收的可行性。下一步,我们还将进行更大规模的空投试验,为最终飞行试验的成功奠定基础。”

△研发中心进行运载火箭子级回收群伞空投试验

火箭回收的方式有哪些?

  汪小卫介绍:“火箭的回收方式一般有3种:降落伞式、垂直降落式以及给火箭安装‘翅膀’的方式。”

  SpaceX公司采用的是第二种,也就是垂直降落回收的方式。一院研发中心刚刚完成的运载火箭子级回收群伞空投试验,则采用第一种降落伞式。

       研发中心进行运载火箭子级回收群伞空投试验

为何首先研究芯一级回收?

  汪小卫说:“火箭芯一级在未进入太空前分离,相对其它部段的回收,当前其技术实现性强,芯级回收技术作为一项通用性技术,后续还可以推广到其它型号中去。”

  未来,火箭的芯一级还将增加“返航”设计,通过携带供自身返回的燃料,自主飞回预定区域,以备重复利用,从而降低运载火箭的发射成本。


         IAC2015大会第一天,航天科技一院还展示了液氧甲烷(天然气)火箭的降落伞和气囊的相关测试情况。 Shen Lin, China Academy Launch Vehicle Tech (CALT) shows test of Lox/CH4 rocket with recovery via parachute & airbags Kistler-style


          不久前,在北京举行的“国防科技工业军民融合发展成果展”中,航天科技一院北京宇航系统工程研究所的“火箭助推器回收利用技术”成为焦点之一,该成果将使分离后的助推器“想落哪落哪”。

“落区”不全是“无人区”

  此前有媒体曾报道过“不明物体”从天而降,坠入住户家里的消息。这些“不明物体”有的就是火箭发射过后的残骸。

  一院余梦伦院士曾向媒体介绍,“我国的几种火箭均有固定的落区范围,一般选择在两省间人口稀少的地区,落区是宽度在30公里,长度为50-70公里的长方形区域。”

  但“落区”并不都是“无人区”,其范围内仍有部分村庄,助推器坠落过程中存在对当地的建筑物造成伤害的风险。所以,一般在火箭发射的时候,落区都会组织人员疏散,而一旦有意外发生,受损失的居民也会得到国家相应的赔偿。但要根本解决这样的问题,必须要实现助推器可控的“安全返回,定点回收”。

珍贵的“废物”

  而从火箭自身来讲,坠落的残骸并不是毫无用处。在火箭专家眼里,这些残骸是后续设计的重要参考,包含丰富的设计验证数据,哪里是薄弱环节、哪里还可以减重、哪里还可以优化,都可以从真实的飞行结果中看出分晓,是重要的再设计“参照物”。

  此外,火箭助推器坠落地面结构破损,不能再使用,而助推器自身加上里面剩余的燃料成本近百万,不能回收使用,是十分可惜的。

“落区”将缩小三分之二

  目前,美、俄等国都在研究助推器安全回收技术,并开展过多次试验,我国也进行了相关研究。前不久,北京宇航系统工程研究所进行的“火箭助推器回收利用技术”1:4模型试验成功,科研人员通过在助推器上安装“降落伞”的方式,减缓助推器下降速度。与此同时,助推器上还安装了“归航控制系统”,让助推器像长了“眼睛”,在飞行过程中不断找正方向,在离落区中心点更近的地方降落,目前的试验数据统计显示,落区范围比原来缩小了三分之二。随着技术的发展,落区还会进一步缩小,实现“想落哪落哪”。


         航天科技一院北京精密机电控制设备研究所运用机电伺服技术研制的“翼伞操纵子系统”,不但能够成功助力火箭“助推器”安全可控回收,还可缓解雾霾、提高物资空投的准确性。此前,我国还没有实现空中定点开展重雾消除的能力。但现在,可利用“翼伞操纵子系统”搭载无人机,实现空中定点重雾消除,极大缓解雾霾现象。同时,该系统还可实现物资的定点投放,提高物资投放的准确率,大大降低对飞机起飞、着陆场地的要求,这将开拓我国翼伞应用的新领域。后续,“翼伞操纵子系统”还可应用于火山探测以及地形勘测等.


运载火箭助推器安全回收技术

2015-07-15

  在国内首先提出了实现火箭助推器落区安全可控的总体方案,实现运载火箭助推器可控安全回收,助推器落区面积缩小至原落区面积的30%,解决了助推器落区安全问题;突破了我国大型机动飞行翼伞关键技术,提出大型翼伞设计方案;解决了助推器分离过程中流体力学和动力学相耦合、再入过程大气参数变化大等问题,获得了助推器分离及再入过程的气动特点;开展了大型机动降落伞操控及动力系统设计,提出了大型翼伞伺服操控方案;开展了1:4原理样机的空投试验,对翼伞回收系统的总体方案及性能进行了全面验证。

  该项目的研究实现了助推器安全可控回收技术领域的技术推进,提高自主创新能力,为运载火箭助推器安全回收技术在工程上实施的长远期目标打下了坚实的预先研究基础。

截止2014年底,中国航天科技集团公司五院508所已完成6具次运载火箭助推器安全回收系统项目的翼伞归航空投试验。试验的成功标志着该所翼伞精确定点回收技术取得重要突破。

该所已经掌握了翼伞设计技术、归航控制技术等定点回收关键技术,开创了国内自主研制大型翼伞精确回收系统的先河,为后续在型号上的应用打下了良好基础。图为试验过程中的工作现场。(杨依将 刘涛)


备战翼伞演示验证试验

连日来,中国航天科技集团公司五院508所紧锣密鼓地开展翼伞演示验证试验准备工作。目前,该所已经掌握了翼伞设计技术、归航控制技术、伺服操纵技术等定点回收技术,取得了国内大型翼伞精确回收系统研制的领先地位。图为试验人员正在包装翼伞。(杨艳 吴卓 摄文)


中国火箭助推器回收技术进入试验验证阶段 

2014-06-13   来源:中国航天报 作者: 责任编辑:高辰 

 近日,中国航天科技集团公司一院一部运载火箭总体室在火箭助推器回收技术上取得阶段性进展。这意味着我国未来或可实现火箭助推器的安全可控回收。

  众所周知,火箭是一次性运载工具,其助推器在高空分离后,呈自由落体下落,一方面会对落区造成伤害,另一方面存在成本上的浪费。为此,世界各国都致力于火箭助推器回收及重复使用技术的研究。这是一项世界性的难题。我国已经多次实现了载人飞船的成功回收,在此方面拥有一定的研究经验。但助推器安全可控回收的目的与飞船回收有一定差异。助推器回收的最大特点是要实现“定点”,就是箭体残骸落点可控。因此,助推器回收不能直接借用飞船的回收系统,需要探索新的技术途径。

  对火箭助推器这样一个庞然大物进行回收,如何能够使其安全返回地面、定点回收呢?“我们在助推器上安装了一双‘柔软’的‘翅膀’。”一部运载火箭总体室的设计人员马忠辉说,“这个‘翅膀’不同于飞机‘翅膀’,它外形似滑翔伞,质地柔软,能在助推器分离后,顺利将其安全带回地面,目前这项技术已经进入到试验验证阶段。”

  也许,大家认为只要给助推器插上“翅膀”就能实现回收。其实,并不是如此简单。“有了‘翅膀’只是第一步,对助推器再入运动姿态分析也是一个极大的难题。”设计人员介绍道,“因为助推器在分离后,呈360度翻滚加速飞行,这时我们采用‘翼伞归航操纵子系统’,来实现助推器的定点回收。目前这项技术已基本攻破,正在进行1:4的缩比样机验证,后续将搭载飞行试验来验证其可行性。” 

  火箭助推器的回收是一个预研项目,涉及多个领域,需要多个单位的配合支持,在关键技术突破上也面临前所未有的难度。一院课题组用4年多的时间,完成了项目的论证、方案设计、详细设计,以及关键技术的攻关,目前正在进行缩比样机的试验。(赵晶)

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