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          news:垂直起落飞机可重复使用验证飞机介绍

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          • 来源:杏彩官网-官网首页

          航天器垂直起降技术作为支持空间探索的关键技术之一,最早出现在20世纪50年代的科幻电影中(目的地月球、火箭飞船X-M等)。)。

          阿波罗1969年7月16日成功登陆月球标志着人类已经掌握了月球垂直起降技术。随着20世纪末航天发射任务的逐步增加,降低发射成本已成为运载火箭的发展方向之一。回收火箭和实现多种用途是大幅降低发射成本的重要途径。20世纪90年代提出的火箭单级入轨技术是火箭再利用技术的原型,包括垂直起飞-垂直着陆(VTVL)、垂直起飞-水平着陆(VTHL)和水平起飞-水平着陆(HTHL) [1]。美国和苏联设计的航天飞机已经实现了VTHL化,但它们高昂的研发、制造和维修成本未能满足降低发射成本的期望。直到2015年12月22日,SpaceX成功回收了Falcon9火箭助推级,并通过重用助推级实现了降低发射成本的目标。

          为了提高运载火箭在国际商业空间发射市场的竞争力,各国航天机构和公司正在积极开展垂直着陆关键技术的研究。本文将简要介绍各国垂直起落验证机的研发和技术验证。

          德尔塔快船探险队(DC-X)

          图1 DC-X飞机

          德尔塔快船探险队(DC-X)是美国麦克唐纳·道格拉斯公司开发的飞机,高度12米,底部直径4.1米,重量18900公斤。它使用四个RL-10A-5液态氢和液氧发动机来提供推力。每台发动机的推力为60kN,推力调节范围为30%-100%。这是世界上第一个用火箭动力[垂直起降的可重复使用的飞行器。从1993年8月18日第一次成功的DC-X试验到1996年7月,共进行了12次飞行试验,最大飞行高度为2500米,该项目的研究成果为飞行器的再利用和火星定点着陆奠定了坚实的基础。

          Xombie

          Figure 2 Xombie Vehicle

          Xombie火箭是马钢航天系统公司为可重复使用的VTVL技术开发的验证火箭,推力调整范围为[1.5千牛顿,3千牛顿],参加了美国国家航空航天局组织的月球着陆器挑战赛,以16厘米[3]的着陆精度获得第一名。作为美国宇航局自主升降动力飞行验证平台(自主升降动力飞行试验台,adapt)的一架飞机,完成了大规模节油制导技术(燃油最优大变向制导,g-fold)的验证,并成功实现了基于凸优化算法[4的动力软着陆段在线轨迹规划。

          蚱蜢)

          图3蚱蜢飞机

          SpaceX设计了蚱蜢飞机,这是猎鹰9号助推级回收动力软着陆级[5号制导和控制技术的验证平台。从2012年9月至2013年10月,共进行了8次飞行试验,最大飞行高度为744米。重点验证了大推重比着陆技术、风干扰稳定技术、精确着陆导航系统和侧向机动能力等制导控制技术。

          EAGLE

          Figure 4 EAGLE Aircraft

          EAGLE(德国Zentrum für Luft-Undaumfahrt,DLR)是德国航空航天中心(德国Zentrum für Luft-Undaumfahrt,DLR)为验证垂直起降技术而开发的验证飞行平台。它使用400牛顿推力涡轮喷气发动机提供动力,并能实现深度节流。低空低速(0.5-1.2m)制导与姿态控制技术已在[6号实验室得到验证。随后将开发推力为1500牛顿的EAGLEXL飞机和单部件火箭发动机,从而为在线轨迹规划技术的验证创造条件。

          FROG

          Figure 5 FROG Aircraft

          Centre National D ' etudes Spatiales(CNES)认为导航制导控制(GNC)是垂直着陆过程中最具挑战性的技术之一,因此开发了两种低成本飞机:基于400牛顿推力涡轮喷气发动机的FROG-T和基于1000牛顿推力H2O2发动机的FROG-H。通过设计基于PID和最优控制(LQG)的俯仰、偏航和滚转姿态控制律,进行了悬挂飞行试验,验证了地面支持系统、硬件平台、电子控制系统

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          图9 RLV-T5飞机

          中国柯灵航空航天公司研制出推力为3kN的液氧酒精火箭发动机,先后研制出三架平行RLV-T3飞机和五架平行RLV-T5飞机。它已经进行了几次低空起飞-悬停-着陆飞行试验,并于2019年8月10日完成了300米垂直起飞和着陆试验。采用状态预测神经网络控制算法,实现[9]垂直起降过程中的高度、速度和姿态控制。

          “孔雀”飞机

          摘要:海宁人才网,海宁

          图10“孔雀”飞机

          中国航天智能控制技术国家重点实验室研制了“孔雀”飞机,开展运载火箭垂直回收制导控制技术研究。针对火箭返回过程最后时刻的动力软着陆阶段,开展了在线轨迹规划、高精度相对导航和制导控制等关键技术的研究工作,并于2018年12月9日成功进行了外场飞行试验。

          CZ-2C

          图11 CZ-2C着陆区安全控制试验

          考虑到火箭在返回过程中需要以相对较高的速度进入稠密大气,对火箭进行空气动力学控制以越过目标着陆区是节省燃料的有效方法。同时,考虑到动力着陆级在短时间内调节火箭着陆点的能力有限,有必要要求火箭在发动机点火前位于着陆点上方。因此,在保证火箭体姿态稳定的前提下,利用网格舵控制气动力方向,从而在满足热流、过载、动压等再入过程安全约束的情况下,提高位置控制精度,是实现火箭安全回收的关键技术之一。2019年7月26日,中国运载火箭技术研究院捕获的长征2 C火箭第一子级碎片在贵州省黔南布依族苗族自治州成功发现,并降落在设定的降落区内,标志着中国运载火箭“网格舵分离体降落区安全控制技术”首次试验成功。

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