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探空火箭任务需求分析
摘要
探空火箭是空间科学研究的重要手段,随着我国对空间环境探测需求日益迫切,亟需开展探空火箭系统型谱规划工作。
本文对国内探空火箭需求进行综合分析。
探空火箭的系列化、模块化设计是进行体系构建的必由之路,确定以发动机作为功能模块进行模块化设计。
采用基于独立性公理的系统模块化组成方法,指导发动机方案选择。
建立探空火箭的弹道、气动计算模型。
采用序列近似优化方法,对单级探空火箭探测-1进行气动/发动机一体化优化,验证计算模型和优化算法的可行性和优化效果。
运用解耦法对两种二级探空火箭和进行气动外形优化设计,使用无量纲加权法对三级探空火箭和四级探空火箭进行统一的气动外形优化设计,实现发动机与尾翼的模块化集成。
最终得到系列化探空火箭型谱,并绘制相关弹道图和气动特性数据图表。
型谱初步实现了模块化,用尽量少的发动机模块完成尽可能多的探测任务,气动外形同步实现模块化,一定程度上提高了模块化程度。
型谱覆盖范围较广、模块化程度较高,体现了较好的经济效益。
综上,本文在国内需求的牵引下,建立了固体探空火箭从总体规划到总体参数快速设计、优化的方法和流程,为探空火箭初期总体设计工作提供参考和借鉴。
主题词:
系列化、探空火箭、型谱、模块化、公理化设计、序列近似优化方法、气动优化设计
ABSTRACT
Thesoundingrocketisanimportanttechniqueofspacescienceexploration.Becauseofthestrongneedforspaceenvironmentexploration,moreresearchshouldbeperformedandplanned.
Inthisstudy,basedonstatisticalinvestigation,0~1500kmwassettobetheexplorationgoal.Theseriesandmodularizationofthesoundingrocketarenecessary.Powerenginewasdefinedasthefunctionmodulesandsystematicconstructionanddesignwasproposed.Threetypesandfiverocketswereintroduced.Thebasictheorywasanalyzedandtheindependenceofthetheorywasstudied.Mathematicalmodelswerebuiltandinferencesweregiven,basedonwhichsystematicandmodulardesigngeneralprocessesweredemonstrated.Thenthestructureofthespectrumenginewasinvestigatedsothatthecouplingmodelwasobtained.Thisfacilitatestheacquisitionoftheenginespecification.Finally,theestablishmentofasoundingrockettrajectory,aerodynamiccalculationmodelwasdefined.Forrocket-I,theaerodynamicshapeandenginewereoptimizedandthefeasibilitywasvalidated.For2-stagerocketand3-stagerocket,aerodynamicoptimizationwasperformed.Dimensionlessmodelwasacquiredandprocessedon3-stagerocketand4-stagerocketfortheaerodynamicdesign.Eventuallythesystematicrocketspectrum,includingthetrajectorygraphandaerodynamicpropertiesdiagram,consistsoffivetypeswith1-stage,2-stage,3-stageand4-stage,whichcancover0~1500kmheighttask.Thespectrumiscapableofwideextent,highmodularizationandlowexpense.
Thispaperestablishedthemethodandprocesstoefficientlydesignandoptimizeoverallplanningandparametersinconceptiondesignforrocket,providingreferencestooverallplanninginapreliminarystage.
KeyWords:
series,soundingrocket,typespectrum,modular,axiomaticdesign,sequentialapproximationoptimization,aerodynamicdesigning.
第一章绪论
1.1探空火箭概述
探空火箭以火箭发动机为动力,将有效载荷送入预定高度,进行原位探测、试验。
探空火箭为近代火箭技术发展过程中研制较早、用途广泛的一种实用火箭[1]。
气象火箭可以在垂直方向上对各种大气参数进行原位测量,地球物理火箭主要用于了解多种空间物理现象,从而为空间科学研究提供基础。
微重力火箭可以提供一个水平较高、时间适中的微重力环境,应用于一系列微重力实验研究[2]。
目前用作空间科学研究的手段主要有5种:
地面观测设备、高空气球、探空火箭、人造卫星、空间站。
其中,气球可长距离、长时间内探测30km以下大气参数,卫星可在预定轨道(>300km)进行科学探测和空间科学研究,探空火箭不但是30~300km高度范围内进行原位探测的唯一手段,而且可以发射到更高的高度(>300km),完成电离层、磁场、微重力实验等研究工作[3]。
概括起来,探空火箭有以下显著优点[1]:
(1)在30km-200km高度范围内可以进行原位测量,填补了高空气球和人造卫星探测不到的高度区域。
(2)可直接测量大气参数的垂直分布,特别适于研究全国性的或地区性的高空大气模式、高空电离层模式等。
(3)操作方便,发射简单。
某些物理现象如日蚀、太阳耀斑爆发、流星雨、极光现象、平流层冬季增温等,一般持续时间都较短,可供观测的时间窗口很小。
此时探空火箭可以迅速进入任务状态,快速发射,并可以单站或多站连续发射和观测,还可与人造卫星、高空气球和地面观测设备同步观测。
(4)研制费用低,研制周期短。
近年来,随着临近空间飞行器、导弹武器试验的不断增加,我国对空间环境探测需求日益迫切,亟需开展探空火箭系统规划论证工作,实现持续科学发展。
1.2探空火箭国外发展现状与趋势
1.2.1发展现状
1945年,美国发射了世界首枚探空火箭“女兵下士”。
到目前为止,大部分发达国家都非常重视以探空火箭为手段的科学探测任务。
已研制了60km乃至1000km以上不同高度的探空火箭系列,进行了卫星等其他探测手段所不能及的空间探测活动,为各种理论基础研究和试验任务探测需求做出了重大的贡献。
(1)发射频度
据统计,美国NASA共有39个发射场,一直保持着非常大的发射量[4]。
其中,美国主要的航天发射场如Vandenberg空军基地、Kennedy空间中心、WALLOPS飞行研究所、白沙导弹靶场都建有固定的探空火箭发射场。
以白沙导弹靶场为例,在1959年~1966年共发射探空火箭1530枚,1964年发射量达290枚。
70年代中后期,年发射量可以达到80枚左右。
近年来NASA的火箭发射数量仍居世界之首,每年要完成40~60次发射任务,如2007年发射48枚,2008年已进行22次、42枚火箭发射[5]。
欧洲方面,英国的“云雀”探空火箭系列,瑞典和德国合作的“TEXUS”微重力火箭系列等,体现了这几个国家在火箭探空方面的积极尝试。
亚洲方面,日本受战败后的国际条约的制约,无法发展进攻性武器,于是许多军工企业转而发展类似于探空火箭这样的项目。
以上这些国家从上世纪70年代开始就开展了大量常规气象探测活动。
如日本三陆町气象火箭探测站,从1970年至2001年共发射1119枚MT-135气象火箭,平均每旬发射一枚。
欧洲国家非常重视微重力科学实验,研发、制造、发射、保障等环节都有非常详尽的规划,1990~1996年间每年发射一枚长时间微重力火箭、4枚短时间微重力火箭[6]。
日本的TT-500A微重力火箭计划,虽然发射的数目不多,但还是积累了一些科学研究资料[7]。
(2)试验用途
自上世纪60年代以来,美国发射了大量探空火箭进行空间环境探测,从数量上看以气象火箭为主,比较有代表性的是Loki、Arcas等,以此获得了大量临近空间气温、气压、风场、大气成分、电子密度等探测资料[8]。
利用这些资料,美国相关靶场统计分析了中高层大气环境参数的时空分布规律,建立了靶场参考大气模型,有效满足了阿波罗工程、航天飞机、弹道导弹、临近空间飞行器研制任务大气环境输入要求。
综合利用探空火箭、常规气象探测以及卫星探测资料,美国在历史上先后推出美国标准大气1976年版、卡纳维纳尔角靶场参考大气(0~70km)、马歇尔航天中心全球参考大气模型1999年版、航天器开发使用地球环境(气候)标准指南2008年版等[4]。
同时,美国利用战斧等飞行器,开展了丰富的高层大气结构和动态特性研究。
从表1.1可以看出,自上世纪60年代,美国就开始了电离层、磁场、微重力等多种类的空间探测试验,探测区域以300km以下为主,也有部分1000km以上探测高度的探测活动。
表1.1NASA60年代探空火箭部分实验情况统计
时间
次数
探测高度km
探测项目
试验结果
1960.3.1~3
2
24
天体项目研究
失败
1960.4.27~5.25
2
222
天体项目研究
失败
1960.11.23~27
2
85~91
电离层
成功
1961.4.19~21
3
165~180
高空大气成分
成功
1959.11.18~1962.6.7
10
30~256
天体项目研究
部分成功
1959.9.14~20
4
218~256
电离层
成功
1960.3.16~1961.12.22
5
322~415
电离层
成功
1960.11.9
1
980
电离层
成功
1960.12.12
1
1160
磁场
成功
1961.4.27~6.13
2
759~867
电离层
部分成功
1961.8.12~1963.10.10
7
152~207
微重力
部分成功
1961.7.14~8.16
5
165~207
磁场
成功
1962.6.29~1963.7.20
5
80~211
气辉
部分成功
1963.4.3~7.10
2
212~236
电离层
成功
1963.6.20~28
2
192~203
日冕观测仪
成功
1963.2.12
1
1610
电子分光
成功
1963.2.10~1964.7.15
7
188~207
大气成分
成功
1963.7.20~8.10
8
155~201
电子密度
成功
1964.3.22~4.22
11
90~180
极光
成功
1964.6.10~10.7
6
140~150
地磁
成功
1964.11.5
1
865
气辉
成功
1964.8.10
1
1015
离子光谱
成功
1964.8.12~8.17
3
119~122
大气采样
成功
1964.8.29~10.26
2
177~200
X射线
成功
1964.10.23
1
1065
射电天文学
成功
1965.3.1~5.30
10
76~88
电离层
成功
近20年来,美国探空火箭用于地球空间科学探测研究的有百余枚,用于天体物理学的有27枚,用于太阳风研究的有24枚。
此外,也发射过各种特殊用途的探空火箭,如为核试验结果验证而发射的取样火箭等。
德国的空间环境探测任务主要由德国宇航中心(DLR)开展,在临近空间环境探测方面以中间层和电离层探测为主。
瑞典的空间探测首先立足于它处于极光区的特殊地理位置,研究范围主要是电离层、高空磁场、极光、高空大气成分等。
目前,欧空局(ESA)各国利用探空火箭,在微重力研究方面开展了较多工作,针对不同微重力科学领域研制了许多成熟的微重力试验单元模块,有近68个,各学科领域的模块数量见表1.2[9][10]。
统计可见流体科学试验模块数量占据了大部分,将单元模块质量小于50kg的视为小型单元,50kg~90kg视为中型单元,90kg以上的视为大型单元,对历年来微重力试验单元的质量分布进行不完全统计,结果见表1.3。
表1.2欧洲微重力试验标准试验单元模块数量
型号
材料科学
流体科学
生命科学
燃烧科学
基础物理
MiniTEXUS
0
2
0
2
0
TESUX
1
12
0
2
0
MASER
2
16
8
0
1
MAXUS
5
11
6
0
0
小计
8
41
14
4
1
比例
11.67%
60.29%
20.59%
5.88%
1.47%
表1.3欧洲微重力试验各类试验单元重量分布
质量
材料科学
流体科学
生命科学
燃烧科学
基础物理
小计
比例
<50kg
1
11
11
0
0
23
24.47%
50~90kg
5
25
25
1
1
57
60.64%
>90kg
1
5
5
3
0
14
14.89
亚洲来看,日本探空火箭事业起步早,成果多。
其一直注重和西方国家的合作,不仅在常规探测项目上成绩喜人,更在包括赤道区高层大气等特色项目上进行了佷多的研究。
美国是空间探测大国,其使用的型号种类居世界首位,主要使用的探空火箭有Arcas系列(52km~100km)、Loki系列(50km~100km)和黑雁系列(70~1500km)。
其中,Loki系列作为Arcas系列的替代产品,是在无控弹的基础上改进研制的,采用两级方案,实现了高可靠、低成本(约为Arcas火箭的一半)的设计目标。
得到广泛应用,是美国发射数量最多的探空火箭,共完成355次发射,成功率高达99.64%。
后续的黑雁系列探空火箭采用多级推进、模块化设计方案,火箭一二三四级可供选用,更加灵活、可靠,是目前使用最为广泛的探空火箭。
(4)特点
从国外探空火箭发展现状来看,主要有以下特点:
发射频度高。
截至目前,以美国、日本为首的发达国家已完成千余次探空火箭发射试验,现在每年仍有50次左右的发射量,高频度的发射积累了大量基础数据,为建立标准大气模型等基础性工作奠定了坚实基础。
试验用途广。
国外发达国家利用探空火箭,在充分获取临近空间气象数据基础上,不断提升火箭运载能力,持续开展电离层、高空磁场、极光、高空大气成分等空间科学探测,而在微重力科学研究和空间科学实验等传统项目上仍旧保持着极大的探测热度。
系列化程度高。
国外探空火箭系列化程度高,组合化、模块化使用,如黑雁系列中,黑雁-5是基本型,在此型基础上增加不同助推器或小型上面级,即可构成其它型号,有效保证了火箭低成本、系列化发展。
进而提高火箭发射频率。
图1.1美国主要使用的探空火箭
1.2.2发展趋势
综合分析国外技术发展历史和现状,探空火箭发展趋势体现在产品系列化、设计标准化、用途多元化三个方面。
产品系列化。
不同试验对于探空火箭的需求不尽相同,必须在研制过程中,强化“三化”意识,即“通用化、系列化、模块化”,使之在基本型某础上形成功能模块较为多样、使用范围较广的系列化产品,完善探空火箭型谱,以满足不同高度、不同载荷以及不同试验的需求。
设计标准化。
探测任务的多样化、火箭的复杂性和火箭的研发成本永远是一对矛盾,只有采用标准化的设计思想,才能为顶层规划提供方便,致力于研发可供各类探测任务所用的基础型箭载设备,有利于为各种有效载荷提供合适的平台。
用途多元化。
前期,探空火箭还是以气象探测为主,后续,在产品系列化、设计标准化基础上,降低火箭成本,在开展必耍的临近空间气象数据探测基础上,不断发展能够进行深空探测、微重力实验和空间新技术验证等方面研究工作的系列火箭。
1.3国内探空火箭发展现状
探空火箭项目是中国空间技术的起步项目之一,火箭的研制始于1958年。
(1)发射频度
至20世纪末,累计己在酒泉、马兰、昆明、海南等地发射了近260枚各类探空火箭,半数以上为气象火箭,这些火箭都是靠尾翼稳定飞行的无控火箭[11]。
其中,60年代共发射约92枚,70年代共发射约136枚,80年代共发射约27枚,90年代共发射约4枚[12]。
1963年至1988年,发射了80多枚探空火箭,积累了不同季节、不同经纬度上的高空大气温度、气压、密度、风向、风速等探测资料。
利用这些实测数据,我国科技工作者分析研究我国与国际CIRA-86参考大气中国区的差异,编制了中国参考大气(地面~80km)2006年版。
进入新世纪以来,结合“子午工程”和一些重大专项任务,火箭探空活动日益增多[13]。
(2)试验用途
气象火箭是最简单最常用的火箭类型,因而我国研究的也较早,包括探空七号、探空七号甲(T-7A)、织女一号。
其中,织女一号火箭运用了包括推力程序优化在内的多项关键技术,达到了良好的探测效果。
另外一些火箭作为取样火箭。
伴随核试验一同研发,用以采集核爆炸后的放射性微粒,例如挺近二号火箭。
还有一些火箭搭载生物体进行空间生物实验,例如和平八号火箭[1]。
(3)型号系列
国防科技大学、航天科技集团四院等单位,先后研制了和平、探空、挺进、织女、天鹰等型号的探空火箭,技术指标比较见表1.4。
表1.4国内主要探空火箭技术参数统计表
代号
级数
起飞质量(kg)
总长度(m)
最大直径(mm)
飞行顶点高度(km)
有效载荷(kg)
试验用途
HP-2
2
331
6.65
255
72
40
临近空间气象探测
HP-3
2
225
5.2
205
25
取样火箭
HP-5
1
230
4.2
255
23
取样火箭
HP-6
1
60.8
2.52
161.5
80
3
临近空间气象探测
HP-8
1
240
4.2
255
减速伞在高马赫数和高速压情况下性能试验
T-7
2
1160
10
450
60
25
临近空间气象探测
T-7A
2
1260
10.32
460
115
40
临近空间气象探测
T-7A(S1)
2
1166
460
76
生物高空飞行试验
T-7A(Y1)
2
1280
460
100
电离层参数测量
T-7A(Y5)
3
1345
460
261
固体发动机点火系统高空性能试验
TK-1
1
65
2.785
150
75
3
临近空间气象探测
TK-5
1
65
4
122
75
3
临近空间气象探测
TJ-1A
2
800
6.19
460
50
核试验取样
TJ-2
1
383
4.11
360
17
核试验取样
ZN-1
1.5
61.5
2.7
150
68
3
临近空间气象探测
ZN-3
2
285
4.87
250
148
25
高层大气探测
TY-3
1
1049
6.1
456
225
50
微重力实验
TY-3C
1
1105
6.76
456
201
50
子午工程科学探测
TY-3E
1
200
60
空间环境垂直探测
TY-3G
2
1100
9.11
456
350
电离层物理实验
TY-4
1
150
3.38
204
80
2
临近空间气象探测
TY-4A
1
150
3.38
203
80
2.3
临近空间气象探测
TY-4B
1
137
137
204
80~100
1.2
临近空间气象探测
TY-6
2
5414
13.62
750
556
微重力实验
从上表可以看出,国内各系列探空火箭可发射3~70kg载荷,飞行高度大多在30~260km范围。
相比国外探空火箭,运载能力、飞行高度还相对较低,应用范围还是以气象探测为主,用途相对单一,电离层、磁场等空间探测活动及微重力试验进行的较少。
图1.2国内几种典型的探空火箭
根据上述分析,我国探空火箭起步晚,需求牵引少。
由于缺乏需求牵引和受国家财力限制等原因,我国探空火箭技术水平、种类和探测次数远远低于国外发达国家。
归纳来说,主要存在以下差距:
顶层规划有待完善。
针对相关科研试验需求,国内先后研制了和平、探空、挺进、织女、天鹰等型号的探空火箭,但通用性不强,能力与需求还有较大差距,缺少统一的顶层规划。
因此,亟需结合试验与基础技术研究需求,制定统一的探空火箭发展规划、完善发展型谱,整合资源,有步骤、有重点的发展不同能力、满足不同需求的探空火箭。
火箭成本有待降低。
在火箭设计中,还未能将系列化、通用化、标准化的理念贯彻始终,因此造成费用较高、保障难度较大,难以作为试验消耗品使用。
发射频率有待增加。
国内已发射探空火箭近300次,但相比国外发达国家千余次的发射数量,差距很大。
没有一定的发射数量,难以完成基础数据的积累,严重制约了国内标准大气模型建立,一定程度上影响了国内航天事业的发展。
1.4探空火箭型谱及规划方法
探空火箭主要由有效载荷和运载火箭所组成。
现代科学探测的多样化和多需求对探空火箭系统提出了更高的要求。
首先,要求探空火箭型号齐全,能够满足不同高度,不同类型的探测需求;其次,时间、技术、成本的压力又迫使研发单位尽可能地在满足要求的情况下,降低探空火箭系统的复杂程度,以期降低开发、生产、使用维护的费用,使探空火箭系统更加柔性化,这样才能将探空火箭的各种优势和特点更为显著地体现。
因而,探空火箭研制部门不可能也无必要针对每一种有效载荷的要求设计一种新的运载火箭,而是综合考虑各种有效载荷的特殊需要和常规需要后,研制几种火箭发动机;或利用已研制成功的火箭发动机,采用“一机(发动机)多用”原则,将它们
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