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国外国防科技文献资料快报

2012年世界航天工业发展回顾——航天运载器及技术

2013-01-07

2012年,国外航天运载器及其技术继续发展,在重要型号、发动机技术、防热系统技术、火箭制造技术等方面取得了重要进展。具体概述如下:

一、航天运载器

1. “猎鹰”-9火箭完成“龙”飞船发射任务

2012年10月7日,美国国家航空航天局(NASA)和太空探索技术(SpaceX)公司利用“猎鹰”-9火箭发射了“龙”飞船,该飞船已于10月10日与国际空间站成功对接,NASA完成了第一次商业货运补给任务。在火箭飞行79秒时,第一级9台“隼”发动机中代号为1的发动机燃料管路压力下降,控制系统发出关机指令,发动机停止工作。此后,箭上飞行计算机重新计算了新的上升轨迹,另外并未受到影响的8台发动机把龙太空舱送入了正确的轨道。“猎鹰”-9第二级没有足够的推进剂把有效载荷OG2卫星送入预定轨道。

2. 法国和德国在发展欧洲主力运载火箭方面存在分歧

欧洲将对“阿里安”-5之后新的主力运载火箭进行投资研究。德国提议欧洲应首先发展“阿里安”-5中期渐进(“阿里安”-5ME)运载火箭,集中力量投资这种火箭。“阿里安”-5ME与“阿里安”-5相比采用了新的上面级,比目前的“阿里安”-5ECA型火箭的运载能力提高20%。而法国则支持发展“阿里安”-6运载火箭,该型火箭的地球同步转移轨道运载能力为3吨~8吨,可靠性高于“阿里安”-5系列火箭,成本比“阿里安”-5低,并能够实现更高的发射频率。

3. 俄罗斯“质子”运载火箭发射再次失败

2012年8月6日,俄罗斯“质子”-M火箭携带两颗通信卫星发射升空。“质子”-M火箭前三级工作正常,第三级与“微风”-M上面级按预定程序正常分离,随后“微风”-M上面级主发动机完成了两次点火,在第三次点火7秒时主发动机因故障出现异常关机,导致“微风”-M上面级和两颗卫星滞留错误轨道。俄罗斯航天局宣布发射失败。2010年12月以来,俄罗斯已经连续遭遇7次航天任务失败,损失了8颗卫星、一艘货运飞船和一个火星探测器。7次失败中有6次是火箭故障造成的,其中“质子”火箭失败3次,均为上面级故障,损失了5颗卫星。

4. 日本继续推进新型固体运载火箭的研制工作

2012年10月,日本宇航探索局(JAXA)宣布将在2013年夏发射首枚轻型“艾普西隆”运载火箭。“艾普西隆”使用H-2A火箭固体助推器作为第一级,M-V火箭上面级升级后作为第二级和第三级。该火箭能将1200千克的有效载荷送入近地轨道,能将450千克的有效载荷送入500千米的太阳同步轨道。“艾普西隆”降低发射成本的措施是实施高效的发射操作,采用了具备人工智能的航空电子设备系统,这类系统设计具有高度智能使运载器自动执行检测,并通过高速网络与地面支持设备连接在一起。“艾普西隆”火箭由于具备自动检测能力,可以使用一台台式计算机实现火箭的发射控制。此外,“艾普西隆”火箭的自动检测能力将极大减少工作量和人力。而且该型火箭在设计时减少了火箭元件的数量,简化了火箭的装配工作,这使得火箭在第一级安置在发射台后1周内实现发射成为可能。

5. 美国军方停止了重复使用助推飞行器的研究工作

2012年,美国空军研究实验室(AFRL)取消“重复使用助推飞行器”(RBS)项目,主要原因是由于空军预算削减。2011年,美国空军授权3家公司研发RBS体系架构的合同,其中包括波音公司、洛克希德·马丁公司、安德鲁斯太空系统公司,空军原计划从中选择一家承包商建造被称为“RBS探路者”演示验证飞行器。洛·马公司已经按预期完成了硬件测试。RBS是一种可重复使用的垂直起飞水平着陆飞行器,该飞行器可用于取代一次性运载火箭“德尔它”-4和“宇宙神”-5,可较大幅度降低发射成本。

6. 美国SpaceX公司研制重复使用“蚱蜢”火箭

2012年11月,SpaceX公司试验了新型“蚱蜢”火箭,该火箭在8秒钟的试验中升起了近两层楼高。“蚱蜢”火箭是重复使用运载器的样机,主要用于测试垂直起降技术。“蚱蜢”高32.3米,装配有四个着陆支架和一台“隼”-1D发动机。SpaceX公司计划将“蚱蜢”用作“猎鹰”-9火箭的第一级,如果“猎鹰”-9两级都使用“蚱蜢”,则可以形成完全重复使用的运载器。

二、火箭发动机技术

1. NASA升级用于新的重型运载火箭的RS-25发动机控制系统

2012年10月,NASA开始着手对RS-25发动机控制系统进行升级。RS-25发动机是一种泵压输送、高压补燃、液氢/液氧发动机。推力可以进行调节,也可在较高高度上中止飞行。该发动机由普·惠洛克达因公司设计制造,RS-25发动机采用分级燃烧循环。NASA升级RS-25发动机控制系统的基本思路是把新的重型运载火箭上面级J-2X发动机的控制系统用于RS-25。NASA马歇尔航天飞行中心计划用一年的时间进行RS-25新控制系统的设计和试验,预计2014年在NASA斯坦尼斯中心进行装备新控制系统的RS-25发动机的热点火试验。NASA称其远期目标是使用相同的硬件设计制造多种发动机控制系统,即通过相同设计、只经过局部改变制造RS-25、J-2X以及未来多种发动机控制系统,实现降低成本的目标。

2. 美国重型运载火箭上面级发动机J-2X成功进行点火试验

2012年,NASA成功完成了新的重型运载火箭上面级发动机J-2X的点火试验。6月的点火试验持续了1150秒,期间进行了节流试验;2012年7月的点火试验持续1350秒。J-2X发动机是“土星”-5火箭J-2发动机的改进型,由普·惠-洛克达因公司制造,采用液氢/液氧推进剂,燃气发生器循环。此外,J-2X发动机的控制计算机采用新型嵌入式操作系统和软件,在发动机控制和系统诊断方面具有强大功能。J-2X发动机的控制系统由两条独立的线路组成,如果一条线路出现故障,则另一条线路能够马上接管控制。

3.意大利与俄罗斯联合研制的液氧/甲烷发动机成功进行点火试验

2012年9月,俄化工自动化设计局宣布成功进行了推力为7500千克的液氧/甲烷发动机试验,该次试验是意大利航天局与化工自动化设计局的研究合作项目。欧洲正在以意大利为主研制“维加”火箭之后的“天琴座”火箭,意大利航天局希望利用液氧/甲烷发动机相对成本较低、推力性能与液氧/煤油近似的特性,将其用于“天琴座”运载火箭上面级,期望在发射成本不增加的条件下提高火箭运载能力。

三、重复使用运载器防热系统技术

1. 轻质低成本可重复使用航天器防热系统技术

2012年,美国波音公司研制的太空机动飞行器技术验证机X-37B再次成功进行了飞行验证,实现了韧化单体纤维抗氧化复合材料防热系统(TUFROC)的验证应用。TUFROC热防护系统也是继美国航天飞机防热系统之后,20多年来第一种成功用于航天器重返大气层飞行的新型重复使用防热系统。该防热系统能承受1700℃的高温,而且可以重复使用;该防热系统密度低、质量轻;其制造周期短、成本低。这种新型防热系统在技术上取得的突破,不仅使航天器能够在极端恶劣的再入环境中承受高加热率,而且有潜力大幅降低重复使用航天器防热系统的成本,缩短制造周期。

2. 锐边飞行器防热系统技术

2012年6月27日,德国航天局“锐边”航天器第二次飞行试验获得成功。“锐边”构型设计使防热瓦外形相对简单,每块陶瓷基复合材料防热瓦均由一个中心柱和四个活动支架支撑,在防热瓦下面安装了轻质纤维陶瓷绝缘垫。这种设计可确保材料的热膨胀不会被抑制。防热瓦之间连接处的密封设计采用了基于氧化物陶瓷的复合材料。“锐边”飞行器还验证了一种主动冷却技术。锐边飞行器验证的新型防热系统与目前航天飞机以及飞船再入大气层时使用的烧蚀防热等被动防热方式,以及在防热系统构型设计方面有本质区别,不仅能够耐受被动烧蚀防热所无法抵御的高温环境,而且维护成本低,能提高飞行器再入安全性。

四、运载火箭零部件加工技术

2012年,NASA提出将利用一种类似于3D打印的技术为新的重型运载火箭制造零部件。这种技术名为选择性激光熔凝(SLM)技术。NASA马歇尔航天飞行中心将采用这种先进技术制造复杂的金属零部件,用于“航天发射系统”重型运载火箭。选择性激光熔凝技术的工作原理为:利用一台高能激光器按照设计样式熔凝容器中的金属粉末,激光器将使金属粉末一层层地生长,熔凝成需要的零部件。利用这种技术能生产出由3D计算机辅助设计出来的拥有复杂几何形状和精密机械性能的零部件。选择性激光熔凝技术能较大幅度地降低制造零件所需的时间从数月降低至数周,提高了经济可承受性。由于不再需要把零部件焊接到一起,使系统的结构强度提高。NASA将在2012年底对J-2X发动机进行热点火试验时,发动机的部分零部件即应用选择性熔凝技术制造。(中国航天系统科学与工程研究院)

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