超高声速飞行器

一、研究背景X—33研究背景高超音速，指物体的速度超过5倍音速（约合每小时移动6000公里）以上。高超音速飞行器主要包括3类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机以及航天飞机。它们采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。飞行器是航空航天技术的核心，是现代科学技术高度综合的产物，高超声速飞行器是航空航天领域的重要研究发展方向。高超声速飞行器技术的研究过程是促进科学技术总体水平发展进步的过程，对于国家安全利益而言，发展性能优越的高超声速武器愈加必要，各航天军事大国已竞相把高超声速技术作为重点发展的国家战略目标。在本文的研究中我们主要基于X-33进行进一步研究，X-33由洛克希德.马丁公司著名的“臭鼬工程队”研制，它是无人驾驶单级入轨可重复使用航天运载飞行器“冒险星”的1/2比例的原型机，机长20.29米，机高，翼展5.88米22.06米。X-33具备把11.35吨有效载荷送上国际空间站的能力，基于其内部具有较大空间可以进行进一步配置的能力，我们将基于它进行进一步改造，进一步扩展其处理小型卫星的能力。NASA研发的X-33飞行器国外的x-33研究现状：X-33的研究背景基于美国于20世纪末想要争霸太空的想法。1996年6月，NASA举行了一次声势浩大的太空项目招标会。组织者介绍说，在经过了“挑战者”号爆炸等悲剧事件之后，美国的航天飞机经受住了考验，随后进行的一系列飞行和太空实验都取得了圆满成功。然而，由于航天飞机设计的局限性，NASA决定开发下一代太空飞机。太空飞机是NASA的一个长远设想，说得冠冕堂皇一点，它是将来人类太空旅游的主要载具，但说白了，它是美国争霸太空不可或缺的利器。然而，太空飞机的设计比航天飞机要复杂得多，因此，在正式决定上马之前，NASA决定首先进行无人太空飞机的研制，如试验成功，NASA将上马代号为“冒险明星”的既可以载人又可以载货的超级太空飞机。美国宇航局希望它能比老一代航天飞机节省90%的发射费用。如果研制成功，X-33将是美国第一代真正意义上的空天飞机。像第一代航天飞机一样，X-33的发射和降落将分别采取垂直发射和水平降落的形式，但它支持单级火箭运输，仅依靠自身发动机和内置燃料，无需任何外挂燃料的辅助燃烧动力就能进入轨道，不但能节省大量人力物力，同时还能缩短两次任务之间的准备时间。为了达到这一目标，设计者们开发了一种新型的气塞式火箭推动器，以使飞行器以18倍音速的速度飞行，同时，为减轻重量，X-33将采用新式的质量较轻的复合材料制造。但是，一些专家认为这些技术在当时并未成熟，将导致X-33的失败。X-33的起飞重量将是131吨，干重为33吨。已将干重降低了约2404～2586公斤。火箭各组件由一石墨环氧桁架连到一起。头锥和前缘部分由碳/碳防热段覆盖，上表面使用柔性可复用表面隔热材料（FRSI）和先进柔性可复用表面隔热材料（AFRSI）石英隔热毡，下表面由带防热层的因康镍(Inconel)和钛蜂窝板防护。X-33的翼展为23.5米，长21米。X-33所使用的由洛克达因公司制造的较小的气动塞式喷管发动机将在斯坦尼斯航天中心进行鉴定。火箭将在出厂两个月后进行首次飞行。这一首飞时间比原定的3月份晚了4个月，是由氢贮箱返工造成的。试飞共将进行15次。试飞时火箭均将从加州爱德华兹空军基地的海斯塔克比犹特起飞，但着陆地点有两处，一是犹他州的迈克尔陆军机场（723公里），二是蒙大拿州的马姆斯特罗姆空军基地（1500公里）。X-33将为冒险星验证几项关键性的技术，即采用气动塞式喷管发动机的升力体式构型，适于飞行使用的轻型复合材料结构（如氢贮箱），防热技术和高效率的操作技术等。试验的目标之一是要连续3次实现7天内再次飞行，并要有一次在两天内再次飞行。冒险星总起飞重量估计值为1180吨，高于原来998吨的估计。其中的10%为干重（主结构5%，发动机1.7%，分系统1.3%，有效载荷2%）。洛马公司1996年7月赢得X-33合同时，对冒险星低地轨道有效载荷能力的估计是26762公斤（59千磅），而目前看来只能朝着22680公斤（50千磅）努力了。NASA原计划于1999年7月4日制造出样机，1999年7月26日进行马赫数为7的第一次飞行。但由于技术难度太大，X-33技术验证机的研制任务未能如期完成。2001年，在经过5年的研究，耗资12.6亿美元后，NASA和空军相继宣布取消X-33技术验证机的研制计划，但“冒险星”计划并没有被停止。洛马公司当时准备成立一家公司，称为“冒险星有限责任公司”，负责筹集制造和经营“冒险星”实用运载器所需的50亿美元资金。美国空军虽未直接参与X-33项目，但却一直对这种技术十分关注，美国宇航局取消X-33项目后，美国空军太空司令部曾表示空军想要评估形势并有可能接管X-33计划的后勤支持，但迄今未知有进一步消息。我们基于这个最后未投入使用的机型进行了进一步的研究。因为就其发展历程而言X-33在十多年科学日新月异的发展背景下，有极大的可能性成为现实。所以对其进行进一步的研究，是十分必要的。处理废弃GEO卫星的研究背景在地球同步轨道（GeostationaryEarthOrbit(GEO)）上运行的静止卫星寿命通常不超过15年,这些卫星失效后,如果不采取措施,它们仍将会停留在静止轨道上,而采取措施就会多消耗约3个月的卫星正常运营燃料[1]。基于下述考虑,一些卫星被废弃在同步轨道上:一是商业利益,很多卫星运营商一般都会尽量延长卫星的使用,直到卫星彻底不能使用为止;二是技术问题,比如说卫星剩余燃料计算精度始终是未解决的卫星控制技术难题,它会导致燃料意外用完。以加拿大通信卫星公司为例,它计算的Anik系列卫星的剩余燃料不确定度最好也只能达到±3kg,这些燃料已经与卫星离轨的消耗量相当[2];三是卫星出现了严重故障,地面无法对其实施控制,自然也就无法离轨了。截止到2010年4月,地球同步轨道上已经有多达1220个卫星,其中只有505个处于正常工作状态[3]。2009年2月11日,尽管计算得到的碰撞概率是510,但是地球静止轨道是人类共同享用的有限资源,人类总能既使用这一宝贵资源,又破坏这一资源,不能任凭废弃的卫星在地球静止轨道上越积越多,造成谁也不能使用的局面。同时也还是发生了美国依星系列33号卫星(IRIDIUM33)与俄罗斯宇宙系列2251号卫星(COSMOS2251)相撞事件,造成两颗卫星损毁[4]。还有更多其它相撞事件,它们表明解决在轨卫星相撞事件已经是紧迫的现实问题。为了避免相撞,各国都采取了规避策略,即当两个空间目标相互靠近时,通过轨道控制，改变其中一个目标的运行轨道,保证在一定时间范围内两个目标间的距离足够大。轨道规避会额外增加卫星的燃料消耗,同时它还会干扰卫星正常的在轨运行业务，是权宜之计,根本的解决办法是彻底清理空间环境。与近地卫星轨道不同,那里堆积了大量火箭、卫星残骸和碎片,而地球同步轨道上的报废卫星基本上都是一个外形完好的整体,如果有手段将它们清除出去,就可以恢复一个干净的空间环境。因此,不久的将来,凡是能将卫星发射到地球同步轨道的国家,也就必须考虑承担清除其废弃卫星的义务。研究如何处置静止轨道废弃卫星的方法,对已发射5颗通信卫星的中国也业已提到议事日程上来了。二、超高声速飞行器控制以X-33为基础模型进行扩展的可行性：虽然X-33最终以项目停止告终，但是冒险星的可行性依旧是可能的。尽管X-33已经采用了一些最新的技术，但冒险星在性能上还需比X-33有明显的提高。据预计，X-33的速度增量约为5.5公里/秒，而冒险星在此基础上还要再提高2/3，达到9.1公里/秒，才能实现入轨的目的。X-33的干重为起飞重量的25%，而冒险星必须降至10%，其中还包括2%的有效载荷重量。工程技术人员正在进行以下几方面的技术改进，以使冒险星能成为一种可行的方案：（1）设计一种能耐受液氧腐蚀的轻质复合材料液氧贮箱。X-33的液氧贮箱使用的是2219号铝。（2）提高空间利用率。X-33中有很多未利用的空间。提高空间利用率的办法之一是去掉某些连接结构和使各组件靠得更紧密一些，如把发动机直接安装到液氢贮箱上而不再通过中间结构安装以及把液氧贮箱套装到液氢贮箱上面等。由多瓣组成的液氢贮箱可能将变为不太占地方的共形贮箱，以便使防热蒙皮离贮箱更近一些。（3）降低波音公司洛克达因分部制造的RS-2200线性气动塞式喷管发动机的重量，提高推重比。（4）把比冲性能提高59牛·秒/公斤，这可能将通过提高涡轮泵涡轮温度和室压来实现。这次通过评审的X-33设计包括经过改动的操纵舵和四瓣式液氢贮箱的安装办法。原来的操纵舵在跨音速条件下俯仰控制效能不足，跨音速和亚音速区逆向偏航角过大。修改后的设计把斜置舵的上反角从37度减为20度，以提高俯仰效能，减小逆向偏航角，同时还加大了垂尾尺寸，以增强控制。已进行了约5000小时的风洞试验。后续对X-33飞行器技术支持的发展：在2001年取消计划后，工程师们已经能够做出碳纤维复合材料的液氧罐。2004年9月7日，诺斯罗普格鲁曼公司和美国航空航天局的工程师公布了碳纤维复合材料液氢罐，已证明有能力重复使用和模拟发射周期。诺斯罗普格鲁门公司认为，这些成功的测试能开发和精致化新的制造工艺，使该公司建造大型高压复合罐，以及设计和工程开发适形油箱使用于单级轨道载具。超声速飞行器面临的“热障”、“黑障”（等离子体）和“气动光学”效应是世界性的难题。当飞行速度达到20Ma，高超声速飞行器激波后的气流温度可达约10000K（接近太阳表面温度的1.5倍）。飞行器以高马赫数巡航时间长达1000s，这给飞行器自身的材料和结构都提出了极高的热防护要求。目前采用较多的几种防热手段防热能力有限，并且都不同程度地增加了飞行器质量，同时也使飞行器表面气动结构复杂化。另外，受金属壳体和内部元件使用温度（最高不超过150℃）、弹径尺寸等多方限制，现有的被动热防护（防热瓦、碳碳材料、碳硅材料）没有办法很好地解决这个问题。本文在这个问题上经过查阅文献也将一种目前较先进的冷却放热技术——高超声速飞行器主动式气膜冷却防热技术。在本文中对超高声速飞行器的预计设计：本文中的设计的超高声速飞行器“新冒险星”继续采用垂直起飞方式，基于X-33上进行进一步改进，使其能达到入轨操作，轨道飞行，同时保留能在飞行跑道上着陆的特性。新冒险星在外形上继续采用x-33的外形设计，但在内部配置中进行进一步改进，以使其可以达到入轨操作从而可以最终达到处理小型卫星的目的。采用气动塞式喷管发动机的升力体式构型，适于飞行使用的轻型复合材料结构（如氢贮箱）。我们在新冒险星的内部存储空间进行多种配置，在利用其大的存储空间和运载能力的背景下，使其可以运用多种方式处理小型地球同步轨道卫星。新冒险星的外形设计材料配置:１布局设计为获得高升阻比和大容积，并且满足内部装填尺寸的限制，迎风面采用了双曲线型线，而背风面采用了椭圆型线，纵向控制线采用了指数曲线以确保圆截面转方截面时每个子午线都与球头子午线相切，从而确保气动外形的光顺。为满足高安全性需求和高控制效率，采用了8个控制面对运载器进行纵横向控制。首先是在机体两侧安装了一对带后缘方向副翼的斜翼，斜翼在提供部分升力的同时，还起到横向安定面的作用，方向副翼可以同时用于俯仰、偏航及滚转控制。其次，在机体下表面后缘设计了升降舵和一对升降副翼，用于攻角控制和减速，并可以差动进行滚转控制。带方向舵的双垂尾用于方向稳定及控制。机身及稳定操纵面经过了初步的优化和匹配设计。它采用线性塞式火箭发动机推力矢量来控制飞行器的俯仰、滚转和偏航，除了发动机推力之外，还有八个执行器舵面来控制飞行器的俯仰、滚转和偏航，主要有两个较低的外侧机身襟翼；两个方向舵，对称时进行低攻角偏航控制，不对称时进行能量管理和俯仰控制；两个机翼后缘的外侧升降副翼、两个机翼后缘的内侧升降副翼以及反推力控制系统（RCS）用于飞行器高度和速度的控制。针对该飞行器的模型分析研究，该飞行器三视图和舵面结构图如图2.1和图2.2所示。副襟气动塞式发动机方新冒险星