航天技术概论论文

1、航天技术概论论文中国新一代火箭及空间站建设发展王涛院系：能源科学与工程学院 专 业：能源动力与工程学号： 1130240131 指导教师： 关英姿 关键词：火箭基组合推进；中型火箭；大推力火箭；空间站目录第一章 新一代火箭的发展11.1发展背景11.2火箭基组合推进11.2.1基本概念11.2.2 优点11.2.3 国外的研究21.2.4 国内的研究21.3 新一代中型火箭（长征七号CZ-7）31.3.1 发展背景31.3.2发展构型31.4新一代大推力火箭41.4.1长征五号（CZ-5）41.4.2技术进展41.4.3总结5第二章 我国空间站建设进展与构想62.1建设进展62.2 建设构想6

2、2.3未来空间站的总体构想6第三章 结语11参考文献1212第一章 新一代火箭的发展1.1发展背景根据对我国航天发展需求的分析，未来我国将发射大量多种轨道的航天器，主要的典型任务载荷一方面基于以下卫星平台：新型返回式平台、SAST1000平台、“资源”一号平台”、资源”二号平台、SAST3000平台、低轨遥感大平台；自旋式通信平台、“东方红“三号平台”“东方红”三号 B 平台、SAST5000平台、高轨遥感大平台“东方红”四号平台、“东方红”五号平台等。与这些新的卫星平台相同，我国大量特殊载荷（如空间站）也处于快速发展的过程中。而旧有的运载火箭已不能满足这些载荷的发射需求，因此，开发研究新一代

3、的运载火箭势在必行。11.2火箭基组合推进1.2.1基本概念火箭基组合推进系统，简称RBCC(rocket based combined cycle)。是指在工作过程中根据飞行马赫数的不同将经历四种工作模态，即火箭引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态和纯火箭模态火箭引射模态，主要工作速度范围为 0-3 马赫嵌于流道中的一次火箭工作，通过其高速气流的引射抽吸作用，引入二次空气流，并在流道的燃烧室内组织二次燃烧，提高混合燃气的能量，在纯火箭的基础上获得推力，提高发动机比冲。亚燃冲压模态，主要工作速度范围为 3-5 马赫火箭发动机关闭或保持小流量，利用来流空气的速度冲压，在主流道中的燃烧室内组织亚声

4、速燃烧，实现对飞行器的推动。超燃冲压模态，主要工作速度范围为 6-10马赫发动机只利用进气道对高超声速来流进行适当压缩，使其在燃烧室内仍然保持为超声速，在燃烧室中直接组织超声速燃烧。纯火箭模态，主要工作速度范围为10马赫以上。随着飞行器逐渐飞出大气层，来流空气量逐渐降低并趋于零，此时关闭进气道，结束超燃冲压，并再次点燃火箭发动机，利用火箭发动机将飞行器推入预定轨道，完成飞行任务。1.2.2 优点（1）减少燃料消耗，有效降低发射成本；（2）并实现快速的天地往返运输；（3）具备直接入轨能力及飞行空域和机动变轨能力。1.2.3 国外的研究（1）美国20世纪80年代美国 NASP 计划极大地推动了吸气

5、式高超声速推进技术NASP计划之后，美国于20世纪90年代启动了ASTP计划，在这一计划的带动下RBCC 研究工作掀起了第二次热潮。其中具有代表性的是 Aerojet 公司提出的 Strutjet-RBCC 方案，该发动机属于二元式引射冲压/超燃冲压组合RBCC，其突出特点是采用进气道/二次燃烧室/喷管一体化结构设计和模块化设计技术，4种动力循环通过支板结构在同一流道中接替工作，平稳转换。Strutjet-RBCC 进行了上千次地面风洞试验，试验对RBCC 各个模态下的进气道特性和不同自由射流马赫数下的发动机性能进行了验证，取得了基本成功。Rocketdyne 公司提出了 A5-RBCC发动机

6、方案该发动机的特点是采用全固定式流道，一次火箭位于隔离段出口上下两侧由于使用了独特的流向涡混合技术，加强了燃料与空气的混合，燃烧室长度设计得非常短小。（2）欧洲航天局提出了未来空间运输研究计划FESTIP，主要内容是研究可重复使用飞行器系统其中，推进部分包含有RBCC推进系统研究，已开展了马赫0-2.2范围内引射模态的工作性能研究。（3）日本宇航局从 20世纪 90年代开始，开展了以重复使用飞行器为目标的RBCC推进系统研究，包括进气道，一次火箭，火箭引射模态、冲压模态和超燃冲压模态的地面直连实验。1.2.4 国内的研究国内的西北工业大学、北京动力机械研究所、中科院力学所和北京航天动力研究所对

7、火箭基组合推进开展了大量的研究，取得了较大的成果，获得了引射机理和影响因素，引射模态下SMC的DAB混合燃烧组织方式，获得了零速条件下推力增强通过利用小流量一次火箭羽流进行火焰稳定并结合支板m凹腔结构实现了扩张流道亚燃模态稳定燃烧。完成了引射模态向亚燃模态的过渡实验，基本掌握了模过渡控制方法。建立了RBCC发动机总体设计和优化方法。2需要指出的是，我国在新型空天组合动力的研究起步较晚，近十年来大量的研究工作主要集中在组合动力的原理、机理和关键技术的突破上，单一模态下的发动机性能还需进一步提高，发动机结构和工作参数之间的匹配优化还需深化，还没有进行全模态优化研究。在组合发动机模态控制、系统工作稳

8、定性、发动机热结构技术、系统集成技术和地面验证技术等方面仍与国外先进技术存在相当的差距。1.3 新一代中型火箭（长征七号CZ-7）1.3.1 发展背景随着我国航天技术的快速发展，我国航天器发射进入高峰期，其中，载荷的提升对火箭的推力提出了更高的要求，而我国现有火箭近地轨道(LEO)推力为8t左右，地球同步轨道（GEO）为6t左右，不能满足新的要求。而要发射新的卫星平台，采用新一代中型火箭成为合理的选择。1.3.2发展构型1.3.2.1命名规定为了描述问题的方便，在此对中型火箭构型的命名进行约定：名称为CZ-7XYZ，代号中的X代表级数，Y代表助推器个数，Z代表助推器类型，对有固体助推器的构型用

9、S表示，对液体助推器省略。对有上面级状态，增加“/SM”加以区分；对芯二级采用氢氧发动机的构形，增加（HO）加以区分。如捆绑2个2m直径的固体助推器、芯二级采用氢氧发动机的两级构型命名为CZ-722S（HO）按照上述命名规则，基本型CZ-7代号为CZ-724，简称为CZ-7。1.3.2.3中型火箭优先发展构型对中型运载火箭可能构型的对比分析如下：对于中型运载火箭，基本型CZ-7既可满足载人航天工程发射货运飞船的需要，也能参与主战场LEO和SSO(太阳同步轨道)有效载荷的发射；研制成功后能为中型运载火箭其它构型的发展奠定良好的基础；在中型运载火箭的可能构型中，利用CZ-7的一级和现有CZ-3A系

10、列的三级组合的两级无助推器构型，以及在CZ-720(HO)基础上捆绑固体助推器的构型CZ-722S(HO)，可满足未来大部分SSO轨道卫星的发射需要；这两型火箭能同时适应在酒泉N太原N海南卫星发射场发射，能兼顾LEO、SSO、GEO三种轨道的发射，具有适应性强、继承性好、扩展性好的特点，应优先考虑该构型的发展；对于发射GEO有效载荷的火箭选择，在CZ-7基础上增加CZ-3A系列的三子级的构型CZ-734，运载能力可达7t，基本能满足GEO现有平台和未来新平台标准型的要求，应优先考虑该构型的发展；在CZ-734的基础上去掉两个助推器的CZ-732)的GEO运载能力约4.5t，建议结合未来GEO卫

11、星的实际需求，适时考虑该构型的发展。1综合起来，以上四种构型，组成了一个运载能力覆盖较为全面的中型火箭系列。1.4新一代大推力火箭1.4.1长征五号（CZ-5）我国太空站建设正稳步推进，但是根据标准，只有具备了20 吨以上运载能力的火箭，才有资格发射核心舱，但是目前，中国火箭最大运载能力只有10吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间站发射升空，也满足不了空间实验室物资的运输要求。为此，目前我国正在研制运载能力达到25吨的大推力火箭“长征五号”。1.4.2技术进展（1）无毒推进剂新一代运载火箭改用液氧-煤油推进剂和液氢-液氧推进剂，避免了有毒有害问题。其中煤油是常见的工业燃料，来源广泛、价格低廉

12、，亦可在常温常压下储存、运输。液氢、液氧可以在临近发射场的区域制备，降低了对远程运输的需求。与此同时，液氧-煤油和液氧-液氢推进剂改善了火箭的推力性能。偏二甲肼 - 四氧化二氮推进剂的比冲为225258s，液氧-煤油推进剂的比冲为240s。而液氧-液氢推进剂的比冲可以达到350425s。（2）液氧 - 液氢发动机长征5号运载火箭的芯级采用新一代大推力氢氧火箭发动机。2008年12月4日，该型发动机的500s长程试验取得圆满成功。2009年10月26日，该型号发动机的第6次长程热试车取得成功。试验状态为大喷管摇摆状态，是发动机的首次全特性、全角度摇摆热试车，进一步考核了发动机与伺服机构工作协调性

13、，考核了喷管延伸段工作可靠性。（3）数字化设计长征5号运载火箭也是中国运载火箭史上首次采用全数字化设计的火箭。在研制过程中，“数字化”是技术人员的基本思路和理念。数字化设计大大节约了火箭研制成本，缩短了研制周期，提高了火箭的可靠性。31.4.3总结长征五号的研制，将有效弥补我国大型航天器运力不足的问题，为未来空间站建设及大型探月器如嫦娥五号的发射提供强有力的支持。第二章 我国空间站建设进展与构想2.1建设进展我国目前已发射天宫一号目标飞行器，完成了神州8号、9号、10号的空间交汇对接，在掌握出舱技术的基础上，进一步掌握了航天器的对接技术。为接下来的空间站建设打下了坚实的基础。2.2 建设构想（

14、1）发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；（2）突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；4（3）建造20吨级的空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。2.3未来空间站的总体构想（1）总体构型采用水平对称 T 形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体当地水平面内，空间站核心舱前端指向飞行方向，核心舱前端设置节点舱，节点舱对地方向和轴向前端各设置 1个对接口用于载人飞船与空间站对接和停靠。在核心舱后端轴向设置1个对接口用于货运飞船对接和停靠。节点舱左右方向各设置 1

15、个停泊口，分别用于实验舱和实验舱的长期停靠，对天方向设置供出舱活动用的出舱口。以核心舱为主，统一控制和管理空间站组合体。核心舱的节点舱在空间站建造初期和技术验证阶段兼做气闸舱，在空间站建造完成后，用做备份气闸舱。以核心舱的密封舱为主配置航天员生活设施。核心舱还具有一定的有效载荷实验能力。实验舱主要用于从事空间科学实验、空间应用和空间技术实验。实验舱由密封舱、气闸舱和资源舱构成。密封舱除科学实验外，还用于存放航天员消耗品和补给货物，备份空间站核心舱部分平台功能。实验舱由密封舱、多功能巡天光学设施非密封舱和资源舱构成。5（2）空间站建造空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造。首先，实验舱对

16、接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段转位操作，将其转移到节点舱、象限，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型。实验舱和配置交会测量设备、主动式对接机构和转位机构。核心舱节点舱配置被动式对接机构和供舱段转位用的基座，转位过程包括舱段分离、转位、再对接三个过程。实验舱转位主要采用转位机构实现，也可由机械臂操作完成。在没有类似航天飞机的大型运输工具情况下，利用舱段交会对接和平面转位方式完成积木加局部桁架混合构型大型空间站的组装建造，在货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的复杂舱外建造和操作活动。6（3）空间站环境控制和生命保障采用再生生命保障系统，实现资源再生利用。再生生命保障系统包

17、括电解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害气体再生式吸收、冷凝水收集与处理、尿液收集与处理等设备。统一由核心舱进行密封舱气体成分、压力、温湿度控制，以及水回收管理、微生物控制和废弃物管理。配置一定数量非再生生保物品，供应急情况下保障维修时使用。再生生保技术将较好地实现资源再生利用，大幅降低货运保障需求。我国空间站资源再生利用水平要达到与国际空间站相当的技术水平。空间站运营期间，还将发展二氧化碳还原技术和其它生活垃圾处理和再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平和效率。（4）空间站电源空间站电源系统设计必须确保供电可靠、安全和长寿命，并为开展多领域科学技术实验提供比较充足的供电支持，还具有一定的

18、冗余能力。空间站电源系统采用转换效率30以上的三结砷化镓电池片以及先进的锂蓄能电池.核心舱采用单自由度柔性太阳电池帆板，提供核心舱单舱飞行时的能源供应，实验舱采用两自由度柔性太阳电池帆板，通过驱动机构实现对日定向。太阳电池帆板可维修和更换。空间站各舱之间电源并网，统一供电，并向停靠的载人飞船和货运飞船提供一定功率的电能。采用100V全调节母线体制，具备独立运行和组合体并网运行两种工作模式。电源系统设计难点在于需要综合考虑发电效率U舱段构型U运输条件、飞行姿态与控制、遮挡效应、维修更换、长寿命、高可靠等复杂因素，是空间站方案设计中的关键技术之一 。（5）空间站动力与控制采用控制力矩陀螺为主，喷气

19、控制为辅的控制方式进行空间站姿态控制，空间站姿态稳定度指标为 0.005/s根据不同的构型，采用惯性飞行、力矩平衡飞行和对地定向飞行三种姿控方案，减少喷气卸载导致的推进剂消耗。建造完成后的正常构型状态下，姿态控制不消耗推进剂。空间站发动机统一配置设计，协同工作，综合利用各舱段以及停靠货运飞船的动力系统，提高动力系统冗余度、可靠性和寿命。首次在空间站上采用电推进技术，补偿大气阻力的影响，大幅降低轨道维持的推进剂补给需求。采用先进的交会控制技术和实验舱电源二次展开技术，解决安装大面积太阳电池帆板的实验舱近距离交会控制问题。（6）空间站信息系统采用当代信息技术的最新成果，统一构建空间站信息系统。根据

20、信息来源、种类分类管理。设置系统网、通信网和载荷网。空间站舱内、舱外均配置无线移动通信网络和视频监视系统，提高航天员生活、工作的通信保障支持能力和对舱内舱外状态的感知能力。利用信息并网技术，进行空间站各舱段及来访航天器的信息管理与共享，以及利用相关设备进行冗余重构。空间站信息传输与测控采用天地一体化设计，对地链路采用S频段统一载波（USB）测控体制。各舱段测控通信设备统一调度，在各种飞行姿态下，均可保障测控通信覆盖率，提高天地通信和数据传输能力和效率，提高天地交互能力。设计自主健康管理系统，提高空间站健康管理水平，降低航天员站务管理和地面运营管理工作负荷。（7）空间站出舱活动和舱外操作在神舟七

21、号出舱活动舱外服技术基础上，研制新一代飞天舱外服，提高环控、电源、通信保障能力、航天员操作作业工效和舱外持续工作时间，提高可靠性和安全性，以全面满足空间站建造、维修维护的需求。舱外航天服支持航天员舱外工作能力与国际空间站舱外航天服相当。核心舱配置大型机械臂1个，实验舱配置小型机械臂1个。两个机械臂可独立或协同工作，也可组合为一个机械臂，扩大作业范围。机械臂可完成舱段捕获、转移、设备安装、维修、更换、载荷操作、航天员辅助转移及舱外状态监视等任务。此外，还配置有专门用于舱段转位的转位机构。舱外服、气闸舱、机械臂、舱外操作工具和出舱活动辅助设备等，共同支持航天员完成舱外移动、建造、操作、维护维修等任

22、务，保障人在空间作用的充分发挥。在航天员、机械臂、舱外服以及货运飞船支持下，可达到与国际空间站相类似的复杂空间操作能力，可完成如舱段捕获转移、帆板转移安装、舱外载荷和设备的维修和安装等复杂舱外建造任务。（8）航天员生活与工作保障空间站是航天员在太空长期生活与工作的场所，也是研究保障人在太空长期健康生活和有效工作的最佳平台。本着“以人为本”的理念，充分考虑声、光、电、热、辐射、气体等空间环境，以及工效、心理、美学因素的影响，空间站要为航天员提供宜居的生活环境，配置丰富的锻炼、娱乐设施和医监医保手段，提供全面的医学监督和医学保障，保障航天员长期健康生活和有效工作。空间站配置3名乘员长期生活设施，并

23、提供轮换期3名航天员临时生活设施，包括饮水就餐、个人卫生、排泄物和生活垃圾收集处理等，航天员自由活动空间约90m。密封舱内气体环境采用与地面相同的氧氮混合气体和压力体制，采用降噪与隔音设计降低舱内噪音，航天员工作和生活区的噪声环境按优于和平号空间站和国际空间站噪声环境设计和控制。采用现代先进技术，空间站为航天员提供便利、可靠、自动化程度高的显示、照明、报警和操作设施，配置各种工具、限位、定位装置和天地交互手段，保障航天员高效工作，完成站务管理、建造、维护维修、物资转移、舱外操作、科学技术实验等操作任务。采用自动化和地面遥控为主管理平台和载荷设备，显著降低航天员日常管理负荷，更多地发挥人的创造性、