CN112963269B - 一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法 - Google Patents

一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法，该垂直回收方法包括：提供运载火箭基础级，运载火箭基础级采用组合发动机提供动力；在运载火箭上升阶段，由主发动机提供主要飞行动力，并由游动发动机提供姿态控制动力；在运载火箭基础级分离后，主发动机关机且在飞行至最高点后再入下降，游动发动机提供减速动力；在运载火箭基础级进入稠密大气区时，述游动发动机关机；当运载火箭基础级下降至低空时，游动发动机开机提供着陆减速动力。上述垂直回收方法能够对运载火箭基础级进行垂直回收，以实现运载火箭基础级的重复使用，从而提高利用效率。

Description

一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法
技术领域
本发明属于运载器技术领域，具体涉及一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法。
背景技术
运载火箭的重复使用是实现低成本进入空间的有效方式，通过子级可控回收、检测维护、重复利用降低发射成本，大幅提升运载火箭的经济性，成为运载火箭技术发展的先进方向。因此,运载火箭的重复使用是新研运载火箭用于开展常态航天发射的首要选择。
国际主流运载火箭基础级垂直回收技术均采用多台相同发动机并联方案，一台发动机位于箭体中央，其它发动机围绕中心对称布局，Falcon 9通用芯级配置9台Meilin 1D液氧煤油发动机，New Glenn一子级计划配置7台BE-4液氧甲烷发动机，其它航天组织或公司在研或者规划的垂直起降运载火箭也采用相近方案，区别仅限于发动机并联的数量和布局，为实现基础级垂直返回，发动机需具备多次起动和深度变推能力，在高空返回阶段，单台发动机通过多次起动、大幅降推力在高空再入段和低空着陆段提供减速动力。对于结构重量为 10～100吨的一次性运载火箭而言，通常配置少数几台大推力发动机，可提供数百吨级起飞推力，若满足垂直回收减速需求，发动机推力需降低至火箭基础级结构重量相当水平，对于发动机的深度节流能力要求极高。在当前技术条件下，对大推力火箭发动机进行深度节流和多次起动改造存在设计复杂、难度极大、可靠性无法保证的弊端，在此约束条件下，一次性运载火箭大推力发动机难以通过适应性改造满足重复使用运载火箭中动力的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法，能够对运载火箭基础级进行垂直回收，以实现运载火箭基础级的重复使用，从而提高利用效率。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法，包括以下步骤：
提供运载火箭基础级，所述运载火箭基础级采用由主发动机和游动发动机构成的组合发动机提供动力；
在运载火箭上升阶段，由所述主发动机提供主要飞行动力，并由所述游动发动机提供姿态控制动力；
在运载火箭基础级分离后，所述主发动机关机且在飞行至最高点后再入下降，所述游动发动机提供减速动力；
在运载火箭基础级进入稠密大气区时，所述游动发动机关机，运载火箭依靠大气阻力提供减速动力；
当运载火箭基础级下降至低空时，所述游动发动机开机提供着陆减速动力，并通过控制所述游动发动机的工作数量、推进剂流量以及摆动，满足运载火箭基础级在着陆过程中减速动力和姿态平稳控制的需求。
优选地，在所述游动发动机开机提供着陆减速动力的步骤中，所述游动发动机提供的减速动力为mg～3mg，其中，m为运载火箭基础级的质量，g为重力系数。
优选地，所述组合发动机包括一个所述主发动机和均匀分布于所述主发动机周向的四个所述游动发动机。
优选地，所述游动发动机设置有双向摆动喷管，所述双向摆动喷管的摆角小于等于60°。
优选地，所述主发动机的循环方式为燃气发生器循环或分级燃烧循环；
所述游动发动机的循环方式为燃气发生器循环或分级燃烧循环。
优选地，所述游动发动机为多次启动发动机。
优选地，所述游动发动机的推力可调节，推力调节范围为标准工况下推力的50％～150％。
优选地，所述运载火箭基础级采用的推进剂为单组元推进剂、双组元推进剂组合或三组元推进剂组合。
优选地，所述推进剂为液氧/煤油组合、液氧/甲烷组合、液氢/液氧组合或四氧化二氮/偏二甲肼组合。
优选地，所述运载火箭基础级的直径为3米～5米。
有益效果：
与现有技术相比，在本发明中，运载火箭基础级采用大推力的主发动机和小推力的游动发动机联合推进的工作方式提供动力，其中，上升阶段主要依靠主发动机提供加速动力，着陆阶段依靠游动发动机提供减速动力，由于游动发动机的开机数量可调、变推力能力实现相对容易，减速动力大小可以按需进行调节控制，从而能够实现运载火箭基础级垂直回收；上述垂直回收方法利用多台小推力的游动发动机开关灵活可控的特点，避免了大推力火箭发动机深度节流、变推力能力差的缺点，为运载火箭基础级的垂直回收和重复使用提供了一种技术途径，可广泛应用于现有一次性运载火箭改造为重复使用运载火箭或基于大推力发动机的运载火箭基础级方案设计，应用前景可观，实现便捷，在重复使用运载火箭领域可进行广泛应用。
附图说明
图1为本发明的运载火箭基础级垂直回收方法的工艺流程图；
图2为运载火箭基础级的主发动机和游动发动机推进剂输送示意图；
图3为运载火箭基础级中设置的一个主发动机喷管和四个游动发动机喷管的布局示意图；
图4为运载火箭基础级中设置的一个主发动机喷管和六个游动发动机喷管的布局示意图；
图5为运载火箭基础级中设置的两个主发动机喷管和四个游动发动机喷管的布局示意图；
图6为运载火箭基础级中设置的四个主发动机喷管和四个游动发动机喷管的布局示意图；
图7为运载火箭基础级飞行阶段的工作时序图。
其中，1-主发动机，2-游动发动机，3-燃烧剂输送管路，4-氧化剂输送管路， 5-燃烧剂贮箱，6-氧化剂贮箱，11-主发动机喷管，21-游动发动机喷管
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
请参考图1，本实施例提供了一种利用游动发动机2的运载火箭基础级垂直回收方法，包括以下步骤：
步骤S10，提供运载火箭基础级，运载火箭基础级采用由主发动机1和游动发动机2构成的组合发动机提供动力；运载火箭基础级可以为助推器和/或一子级；如图2结构所示，运载火箭基础级的助推器可以为组合发动机，组合发动机可以包括一个主发动机1、四个游动发动机2、燃烧剂输送管路3、氧化剂输送管路4、燃烧剂贮箱5以及氧化剂贮箱6，其中，燃烧剂贮箱5中储存有燃烧剂，燃烧剂可以采用煤油，氧化剂贮箱6储存有用于辅助燃烧剂燃烧的氧化剂，氧化剂可以采用液氧；燃烧剂贮箱5与主发动机1和游动发动机2之间均通过燃烧剂输送管路3连通，用于将储存的燃烧剂供给主发动机1和游动发动机2；氧化剂贮箱6与主发动机1和游动发动机2之间均通过氧化剂输送管路4连通，用于将储存的氧化剂供给主发动机1和游动发动机2；组合发动机中主发动机1 和游动发动机2的实际数量可以根据实际需求进行设置；
步骤S20，在运载火箭上升阶段，由主发动机1提供主要飞行动力，并由游动发动机2提供姿态控制动力；主发动机1的海平面推力可以为50～500吨级，游动发动机2的海平面推力可以为5～20吨级；
步骤S30，在运载火箭基础级分离后，主发动机1关机且在飞行至最高点后再入下降，游动发动机2提供减速动力；运载火箭基础级分离为运载火箭助推器分离或运载火箭一子级分离；在运载火箭基础级分离后，在自身重力和大气阻力的作用下继续减速向上飞行，上升速度降为0后开始从高空再入下降，并伴随速度增大，在此期间游动发动机2持续提供减速动力；
步骤S40，在运载火箭基础级进入稠密大气区时，游动发动机2关机，运载火箭依靠大气阻力提供减速动力；在游动发动机2关机后，大气阻力成为运载火箭减速的动力；
步骤S50，当运载火箭基础级下降至低空时，游动发动机2开机提供着陆减速动力，并通过控制游动发动机2的工作数量、推进剂流量以及摆动，满足运载火箭基础级在着陆过程中减速动力和姿态平稳控制的需求，从而实现运载火箭基础级的垂直回收。
在上述运载火箭基础级的垂直回收方法中，在上升阶段依靠主发动机1提供加速动力，着陆阶段依靠游动发动机2提供减速动力，根据运载火箭基础级所处的不同阶段对主发动机1和游动发动机2进行控制，通过对游动发动机2 的控制向运载火箭基础级提供减速动力，从而实现运载火箭基础级的垂直回收；上述回收方法为运载火箭基础级的垂直回收和重复使用提供了一种技术途径，可广泛应用于现有一次性运载火箭改造为重复使用运载火箭或基于大推力发动机的运载火箭基础级方案设计。
一种具体的实施方式中，在游动发动机2开机提供着陆减速动力的步骤S50 中，游动发动机2提供的减速动力为mg～3mg，如：mg、2mg、3mg，其中，m 为运载火箭基础级的质量，g为重力系数。
图3结构所示为运载火箭基础级中设置有一个主发动机1和四个游动发动机2时喷管的布局示意图，组合发动机包括一个主发动机1和均匀分布于主发动机1周向的四个游动发动机2，四个游动发动机喷管21均匀分布于主发动机喷管11的周围。游动发动机2可以设置有双向摆动喷管，双向摆动喷管的摆角小于等于60°。主发动机1的循环方式可以为燃气发生器循环或分级燃烧循环；游动发动机2的循环方式可以为燃气发生器循环或分级燃烧循环。游动发动机2 可以为多次启动发动机，具备多次启动能力，启动次数大于2。为了方便调节，游动发动机2具备推力调节功能，推力调节范围为标准工况下推力的 50％～150％。
上述运载火箭基础级采用的推进剂可以为单组元推进剂、双组元推进剂组合或三组元推进剂组合；当采用双组元推进剂组合时，推进剂可以为液氧/煤油组合、液氧/甲烷组合、液氢/液氧组合或四氧化二氮/偏二甲肼组合。
运载火箭基础级的直径可以为3米～5米，如：3米、3.35米、3.8米、4.2 米、5米。
图7示出了运载火箭基础级在飞行阶段的工作时序图，其中，t0为运载火箭基础级点火、主发动机1和游机发动机开机时刻，t1为运载火箭基础级的主发动机1的关机时刻，t2为运载火箭基础级的分离时刻，t3为运载火箭基础级上升至最高点沿地球径向速度为零时刻，t4为运载火箭基础级高空再入游机发动机的开机时刻，t5为运载火箭基础级进入稠密大气前游机发动机的关机时刻， t6为运载火箭穿越稠密大气下降至低空时游机发动机的开机时刻，t7为运载火箭基础级部分游动发动机2按需状态调整时刻，t8为运载火箭基础级着陆、所有游动发动机2关机时刻。
在上述运载火箭基础级垂直回收方法中，利用游动发动机2的运载火箭基础级可以进行垂直回收以便重复使用，运载火箭基础级的主发动机1和游动发动机2的推进示意如图2所示，包括主发动机1、主发动机喷管11、游动发动机2、游动发动机喷管21、燃烧剂输送管路3、氧化剂输送管路4、燃烧剂贮箱 5以及氧化剂贮箱6；运载火箭基础级可以具有以下不同的实施例，各实施例具体如下：
实施例1
运载火箭基础级配置一台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油；主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为300吨级，采用富氧补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为10吨级，运载火箭基础级的直径可以为3.35米，基础级结构质量(含发动机)为20吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21的布局如图3结构所示。
实施例2
运载火箭基础级配置一台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用液氢；主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为300吨级，采用补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为15吨级，运载火箭基础级直径可以为5米，基础级结构质量(含发动机)为30吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管 21的布局如图3结构所示。
实施例3
运载火箭基础级配置一台主发动机1和六台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油；主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为300吨级，采用富氧补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为8吨级，运载火箭基础级直径为3.8 米，基础级结构质量(含发动机)为25吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图4结构所示。
实施例4
运载火箭基础级配置两台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油；每台主发动机1配置有一个主发动机喷管11，每台主发动机1的海平面推力为120吨级，采用富氧补燃循环；每台游动发动机2 配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2海平面推力为10吨级，运载火箭基础级直径为3.35米，基础级结构质量(含发动机)为20吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图5结构所示。
实施例5
运载火箭基础级配置一台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油；主发动机1配置有两个主发动机喷管11，海平面推力为500吨级，采用富氧补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为10吨级；，运载火箭基础级的直径为 3.8米，基础级结构质量(含发动机)为25吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图5结构所示。
实施例6
运载火箭基础级配置两台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用液氢；每台主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为50吨级，采用燃气发生器循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为10吨级，运载火箭基础级直径为 5米，基础级结构质量(含发动机)为20吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图5结构所示。
实施例7
运载火箭基础级配置两台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用甲烷；每台主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为200吨级，采用全流量补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为10吨级，运载火箭基础级直径为5米；基础级结构质量(含发动机)为20吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图5结构所示。
实施例8
运载火箭基础级配置两台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油；每台主发动机1配置有一个主发动机喷管11，海平面推力为300吨级，采用富氧补燃循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为15吨级，运载火箭基础级直径为 5米；基础级结构质量(含发动机)为30吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图5结构所示。
实施例9
运载火箭基础级配置一台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用四氧化二氮，燃烧剂采用偏二甲肼；每台主发动机1配置有四个喷管，海平面推力为300吨级，采用燃气发生器循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为10吨级，运载火箭基础级直径为3.35米，基础级结构质量(含发动机)为20吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图6结构所示。
实施例10
运载火箭基础级配置两台主发动机1和四台游动发动机2，其中，氧化剂采用液氧，燃烧剂采用煤油，每台主发动机1配置有两个喷管，海平面推力为500 吨级，采用燃气发生器循环；每台游动发动机2配置一个游动发动机喷管21，每台游动发动机2的海平面推力为20吨级，运载火箭基础级直径为5米，基础级结构质量(含发动机)为40吨级；主发动机喷管11和游动发动机喷管21布局如图6结构所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用游动发动机的运载火箭基础级垂直回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供运载火箭基础级，所述运载火箭基础级采用由主发动机和游动发动机构成的组合发动机提供动力；
在运载火箭上升阶段，由所述主发动机提供主要飞行动力，并由所述游动发动机提供姿态控制动力；
在运载火箭基础级分离后，所述主发动机关机且在飞行至最高点后再入下降，所述游动发动机提供减速动力；
在运载火箭基础级进入稠密大气区时，所述游动发动机关机，运载火箭依靠大气阻力提供减速动力；
当运载火箭基础级下降至低空时，所述游动发动机开机提供着陆减速动力，并通过控制所述游动发动机的工作数量、推进剂流量以及摆动，满足运载火箭基础级在着陆过程中减速动力和姿态平稳控制的需求。
2.如权利要求1所述的垂直回收方法，其特征在于，在所述游动发动机开机提供着陆减速动力的步骤中，所述游动发动机提供的减速动力为mg～3mg，其中，m为运载火箭基础级的质量，g为重力系数。
3.如权利要求2所述的垂直回收方法，其特征在于，所述组合发动机包括一个所述主发动机和均匀分布于所述主发动机周向的四个所述游动发动机。
4.如权利要求3所述的垂直回收方法，其特征在于，所述游动发动机设置有双向摆动喷管，所述双向摆动喷管的摆角小于等于60°。
5.如权利要求3所述的垂直回收方法，其特征在于，所述主发动机的循环方式为燃气发生器循环或分级燃烧循环；
所述游动发动机的循环方式为燃气发生器循环或分级燃烧循环。
6.如权利要求3所述的垂直回收方法，其特征在于，所述游动发动机为多次启动发动机。
7.如权利要求6所述的垂直回收方法，其特征在于，所述游动发动机的推力可调节，推力调节范围为标准工况下推力的50％～150％。
8.如权利要求1所述的垂直回收方法，其特征在于，所述运载火箭基础级采用的推进剂为单组元推进剂、双组元推进剂组合或三组元推进剂组合。
9.如权利要求6所述的垂直回收方法，其特征在于，所述推进剂为液氧/煤油组合、液氧/甲烷组合、液氢/液氧组合或四氧化二氮/偏二甲肼组合。
10.如权利要求1所述的垂直回收方法，其特征在于，所述运载火箭基础级的直径为3米～5米。
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