澳创所投企业|星际荣耀:为什么要打造一款“专治强迫症”的非轴对称运载火箭?

微信图片_20210827140820.jpg

      在看习惯了轴对称的火箭构型后,星际荣耀近期发布的非轴对称构型液体运载火箭SQX-3A(双曲线三号两芯级并联构型)(《可重复使用运载火箭 | 双曲线三号顺利通过方案论证转段评审》)让航天爱好者眼前一亮。


      这款被爱好者们戏称为“专治强迫症”的液体运载火箭仅捆绑了一个助推器,只有一个对称面,与常见的轴对称火箭在外观上形成对比。


      历史上有哪些非轴对称航天器?为什么要设计这样一款非轴对称火箭?非轴对称航天器的设计难度有多大?我们将在文章中一一解答爱好者们对这款火箭的好奇。



1630044889447554.jpg

SQX-3系列运载火箭图谱


微信图片_20210827140934.jpg 

历史上的非轴对称航天器

 

  • 航天飞机

      航天飞机时代,是一个非轴对称航天器时代,以美国和前苏联的航天飞机为典型代表。


      美国在航天飞机时代或许最有发言权——他们的航天飞机是飞行次数最多的非轴对称航天器。从1981年到2011年,5架美国航天飞机共计飞行了135次。


      美国的航天飞机主要由轨道飞行器、外挂燃料箱和固体火箭助推器三大部分组成,轨道飞行器兼有火箭与载荷的双重功能,也就是说在飞行器上升段,轨道飞行器的主发动机也参与工作。


      轨道飞行器,简称轨道器,是美国航天飞机的主体,也是最具代表性的部分,长37.24米,高17.27米,翼展29.79米,可装载24吨物品进入太空,装载19.5吨物资从太空返回地面。轨道飞行器的后段有垂直尾翼、三台主发动机和两台轨道机动发动机。主发动机在起飞时使用的是外挂燃料箱中的推进剂,每台可产生1668千牛的推力。航天飞机外储箱,长46.2米,直径8.25米,能装700多吨液氢液氧推进剂。航天飞机固体助推器共2台,连接在外贮箱两侧上,长45米,直径约3.6米,每台可产生15682千牛的推力,承担航天飞机起飞时80%的推力。




1630044989743808.jpg

美国挑战者号航天飞机


      除美国航天飞机外,太平洋的另一端,前苏联能源号运载火箭也以非对称的方式“驮”起了暴风雪号航天飞机。但与美国不同,上升过程中暴风雪号的发动机并不工作,航天飞机仅作为载荷依附在运载火箭上。


      暴风雪号航天飞机机长36.37米,高16.35米,翼展23.92米,机身直径5.6米,起飞重量105吨,返回后着陆重量为82吨。它有一个长18.3米、直径 4.7米的大型货舱,能把30吨货物送上近地轨道,将20吨货物运回地面。其头部有一容积70立方米的乘员座舱,可乘10人,设计飞行寿命100次。


      能源号运载火箭(基本型)长为58.765米,总重2400吨,最大宽度20米,起飞推力3500吨,能把105吨有效载荷送上近地轨道。第一级捆绑的4台RD-170发动机为液体助推火箭,高38.3米,直径3.9米;第二级为直径7.7米的芯级,高58.1米,由4台RD-0120液氢液氧发动机组成。




1630045032619900.jpg


微信图片_20210827140954.jpg


前苏联能源号运载火箭和暴风雪号航天飞机


  • 运载火箭


      2011年7月21日,美国亚特兰蒂斯号的最后一次飞行为航天飞机时代画上句号。而除了航天飞机之外,美国、日本等国家也曾设计过非轴对称构型运载火箭。


      美国ULA的宇宙神5系列运载火箭,作为当前美国的主力火箭之一,就具有丰富的“专治强迫症”经验。宇宙神5通过模块化和标准化设计,降低火箭发射成本,提高火箭的可靠性和可用性,以满足客户对中、重型有效载荷的发射需求。宇宙神5系列构型中固体助推器数量为0~5个,可根据任务需要进行选配,形成多种非对称布局。


      宇宙神5系列包括 400 系列、500 系列以及重型系列(HLV),均为二级运载火箭,第一级采用直径 3.8米的通用芯级,由1台可提供 382.3吨推力的 RD-180 液氧煤油发动机提供动力;第二级为半人马座级,由1台或2台RL10A-4-2 液氧液氢发动机提供动力;400 系列和500系列的助推器均为以端羟基聚丁二烯为燃料的固体推进器,海平面推力约为 136吨。根据整流罩直径、捆绑助推器的数量以及半人马座级发动机的数量,又衍生了不同的型号。


微信图片_20210827140957.jpg


1630045120407792.jpg

宇宙神5系列运载火箭


1630045150767659.jpg

注:型号名称5-431中5代表宇宙神5,4代表4米直径整流罩,3代表捆绑3个固体助推器,1代表半人马座级包含1台发动机。其余以此类推。


      再把时间轴拨回一点,日本早期的H-2A火箭也规划过非对称布局的212构型,但并未投入实际飞行。


      H-2A 为液氧液氢二级运载火箭,直径 4米,高度 53米,LEO 轨道运载能力 15吨,GTO 轨道运载能力 6吨。H-2B 是在 H-2A 基础上研制的重型运载火箭,其沿用了 H-2A 的二子级和整流罩,主要用于发射质量为16.5吨的 H-2 转移飞行器向国际空间站运送货物,最大直径 5.3米,高度 56米,LEO 轨道运载能力 16.5吨,GTO 轨道运载能力 8吨。


1630045198421249.jpg

日本H-2A和H-2B 火箭(点击可查看清晰图片)


      通过上述分析可知,国外早就设计过非轴对称航天器,而且有成功完成发射任务的经验,说明该技术方案是具备可行性的。

 

微信图片_20210827141010.jpg

为什么设计非轴对称运载火箭


      有一点可以明确:非轴对称构型运载火箭的飞行难度确实是要大于轴对称构型运载火箭的。那么,星际荣耀的设计团队为什么要设计这款非轴对称构型的运载火箭SQX-3A?设计师团队介绍,研制SQX-3A主要是出于形成运载能力梯度、降低研制成本等方面的考量,这些考量因素驱使着研发团队尝试去化解问题,而不是绕开问题。


  • 考量一:构建运载能力梯度,适配任务需求


      通过采用不同的助推器种类和数量,构建不同规模的运载火箭、形成运载能力梯度,是世界各国的常用做法。我国的长征-3A系列运载火箭就是典型代表之一,其通过采用不同数量助推器,形成了2.6~5.5吨的GTO运载能力梯度。长征-5在早期也规划过6种构型,覆盖了LEO 10~25吨,GTO 6~14吨的运载能力梯度。


1630045268846942.jpg

长征系列运载火箭(点击可查看清晰图片)

 

      从起飞规模上看,SQX-3系列运载火箭的三种构型(SQX-3、SQX-3A、SQX-3B)形成了明显的起飞重量梯度;从一次性使用状态的运载能力上看,SQX-3系列运载火箭仍然具备13.7~32.2吨的清晰递进梯度。在一子级重复使用状态下,SQX-3A与SQX-3B运载能力差别有限,这是由于通用化、模块化设计思想与回收状态载荷条件限制共同作用下导致的。


      对于LEO任务而言,发射质量为10吨级的有效载荷即可覆盖绝大多数的任务需求,SQX-3A可兼顾这一需求和一子级回收重复使用,达到用尽可能小的起飞规模实现上述目标的效果。


1630045304746891.jpg

SQX-3系列运载火箭起飞规模量级对比

1630045925782678.jpg

SQX-3系列运载火箭LEO任务运载能力对比(t即“吨”)




  • 考量二:降低研制成本


至于为什么要采用CBC模式(“CommonBooster Core”的首字母简写,通用核心助推器),而非采用常见的小助推布局来构建运载能力梯度呢?核心目的在于通过减少模块种类,以期降低研制成本。星际荣耀研发团队采用模块化设计思路,使用通用的助推器模块而不是另起炉灶设计新的模块,极大缩减了研制成本。


微信图片_20210827141022.jpg

非轴对称构型运载火箭的设计难点及解决方案


      看似不太平衡的非轴对称运载火箭要如何顺利发射升空、成功完成飞行任务?


      从研发角度来看,非轴对称运载火箭主要存在以下几个设计难点:

 

  • 难点一:气动特性相对复杂


      从气动特性角度而言,轴对称构型运载火箭气动特性相对简单,可以按照俯仰和偏航两个平面来计算出随攻角和侧滑角变化的气动特性。但非轴对称构型运载火箭的气动特性相对复杂,在某个平面内正负攻角下的气动特性并不完全相同,因此设计过程中要考虑的因素增多,存在一定的技术难度,需要通过风洞试验进行气动特性修正。

 

  • 难点二:附加干扰力矩


      由于结构相对芯级和助推模块中心线不对称,非轴对称构型运载火箭的质心不在芯级和助推模块中心线上,而运载火箭的发动机则相对芯级和助推模块中心线对称,因此如果所有发动机推力相同,则将导致运载火箭的芯级和助推器发动机推力相对质心产生干扰力矩——这对以往推力不可调节的火箭来说是极大的难题。

微信图片_20210827143156.png


推力相对质心产生的干扰力矩

 

      星际荣耀研发团队通过前期大量论证工作,结合JD-2百吨级变推力液氧甲烷发动机研制的实际情况,秉承通过技术创新降低研制成本的指导思想,主要通过以下两项技术来攻克上述难点:

 

  • 技术一:多发动机在线推力调节技术


      如前文所述,SQX-3A构型的质心不在芯级和助推模块中心线上。而通过JD-2发动机推力调节技术,可以克服质心偏移带来的干扰力矩,具体实现方式为提高芯级发动机推力,降低助推发动机推力。

微信图片_20210827143204.png


多发动机在线推力调节

 

  • 技术二:多发动机组合摇摆控制技术


      SQX-3A构型共有18台发动机,均可双向摇摆进行姿态控制,控制力充足,因此,可以通过多发动机的组合摇摆控制,克服由于气动外形不对称和质心偏移带来的各种干扰,实现对飞行姿态的有效控制。

微信图片_20210827143210.png


多发动机组合摇摆控制


      此外,需要补充说明的是,SQX-3A虽然不是轴对称构型运载火箭,但为面对称构型运载火箭。面对称构型运载火箭飞行弹道有两种情况:飞行器对称面与射面重合、飞行器对称面与射面成一定夹角。SQX-3A采取飞行器对称面与射面重合的飞行方式,在一定程度上降低了研制难度,具备更高可行性。


      综上所述,SQX-3A对星际荣耀而言,是一项技术上的艰巨挑战,但研发团队已经将相关技术列为关键突破点,并开展了相应的技术攻关以及验证型试验。我们相信,在不久的将来,星际荣耀的第一款非轴对称构型运载火箭有望成功实现首飞!


      纵观科技发展史,技术的变革往往伴随着质疑和否定的声音。星际荣耀坚信:质疑是一种有益的声音,创新是一种必须的精神。作为中国航天事业的生力军,星际荣耀基因里创新、执着和探索的精神,将促使我们在开拓太空这项伟大征途中不断突破!

微信图片_20210827141037.jpg

      北京星际荣耀空间科技股份有限公司(简称“星际荣耀”)致力于研发优秀的商业运载火箭并提供系统性的发射解决方案,为全球商业航天客户提供更高效、更优质、更具性价比的发射服务,以大幅提升人类自由进出空间的能力。星际荣耀拥有一支极具专业经验和创造力的队伍,人员囊括了技术研发、业务管理、顾问咨询等多个领域的精英,拥有强大的综合实力,志在商业航天领域大有所为。公司专注于高品质、低成本、快响应的智能运载火箭产品研发,为全球卫星及星座客户提供一体化的商业发射服务。