CN106288980B - 一种基于rbcc动力的可重复使用运载器的使用方法 - Google Patents
一种基于rbcc动力的可重复使用运载器的使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于RBCC动力的三级运载器,包括依次连接的三级式结构:第一级火箭动力飞行器,第二级RBCC动力飞行器和第三级火箭动力飞行器;其中第二级RBCC动力飞行器的机身底部与第一级火箭动力飞行器的机身背部相连,第三级飞行器搭载于第二级飞行器的大型载荷舱中,通过第二级飞行器释放来分离。解决了现有技术中运载器的起飞质量较大,运载效率较低的问题。
Description
技术领域
本发明属于航空宇航科学与技术领域,涉及一种基于RBCC动力的三级运载器。
背景技术
现有航天运载***由一次性运载火箭和重复使用运载器组成,动力***主要有火箭发动机、火箭基组合循环发动机(RBCC)、脉冲爆震发动机等。其中以RBCC发动机为动力的重复使用运载器主由两级构成:上面级和下面级,其方案为上面级采用RBCC发动机,下面级采用火箭发动机;或者下面级采用RBCC发动机,上面级采用火箭发动机。不管采用哪种方式,运载器的起飞质量都比较大,运载效率不够高。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于RBCC动力的三级运载器,以解决现有技术中运载器的起飞质量较大,运载效率较低的问题。
本发明所采用的第一种技术方案是,一种基于RBCC动力的可重复使用运载器,包括依次连接的三级式结构:第一级火箭动力飞行器,第二级RBCC 动力飞行器和第三级火箭动力飞行器;
其中第二级RBCC动力飞行器的机身底部与第一级火箭动力飞行器的机身背部相连,第三级飞行器搭载于第二级飞行器的大型载荷舱中,通过第二级飞行器释放来分离。
进一步的,第一级火箭动力飞行器的发动机采用可回收大推力火箭助推器。
进一步的,第二级RBCC飞行器采用升力式构型,且其进气道位于第二级飞行器上方。
进一步的,第三级火箭动力飞行器采用可重复使用的轨道级,用于与所述第二级RBCC动力飞行器分离后自带动力进入空间轨道,并在完成空间任务后返回大气层水平着陆。
本发明所采用的第二种技术方案是,一种基于RBCC动力的三运载器的使用方法,包括以下步骤:
步骤1、三级运载器在一级火箭飞行器动力作用下垂直起飞,并加速爬升,直至达到第二级RBCC飞行器的吸气式模态工作点,高度达到20km,速度为4马赫,此时一级飞行器与二三级组合体分离,返回原发射场;
步骤2、第二级RBCC飞行器启动吸气式模式,历经亚燃和超燃模态,速度达到10马赫,高度达到28-30Km时切换到纯火箭模态;
步骤3、第二级RBCC飞行器继续加速爬升,直至速度达到16马赫,高度达到100-120Km时与三级飞行器分离,分离后二级RBCC飞行器返回前方着陆场;
步骤4、第三级飞行器采用火箭动力继续加速,直至将运载器的载荷送入预定轨道;随后第三级飞行器再以水平着陆的方式返回原发射场。
本发明的有益效果是,采用三级结构运载器,其中间级采用RBCC发动机,充分利用了RBCC发动机比冲高、多模态工作的特点,大大提高了运载器的运载能力和效率,并且工程实现更为容易;同时减轻了起飞质量小,从而提升进入太空的运载能力,降低了发射成本。
附图说明
图1为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器的使用方法示意图;
图2为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行高度曲线示意图;
图3为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行速度曲线示意图;
图4为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行弹道倾角曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于RBCC动力的三级运载器,包括依次连接的三级式结构:第一级火箭动力飞行器,第二级RBCC动力飞行器和第三级火箭动力飞行器。
其中,第一级火箭动力飞行器的发动机采用可回收大推力火箭助推器,避免了RBCC在低动压区发动机效率低且难以垂直发射的缺点。
现有RBCC飞行器进气道多位于机翼下方,气动性能不佳。本发明的第二级RBCC飞行器采用升力式构型,且其进气道位于第二级飞行器上方,可以避免发动机进排气对飞行器气动特性的耦合干扰,提升气动性能,且充分利用了RBCC吸气式模态的高比冲,以及RBCC发动机可多模态工作的优点。
现有三级飞行器一般为一次性使用,而本发明的第三级火箭动力飞行器采用可重复使用的轨道级,用于与所述第二级RBCC动力飞行器分离后自带动力进入空间轨道,并在完成空间任务后返回大气层水平着陆,可重复使用,且水平着陆返回的方式可以降低运营成本。避免了RBCC动力飞行器结构质量大的缺点。
本发明所提出的一种基于RBCC动力的三级运载器,充分发挥了RBCC 发动机的优势,避免了RBCC动力的不足,因而具有很高的运载效率,而且工程实现的难度低。
由于RBCC级飞行器返回时速度较低,因此对热防护***的要求也低。 RBCC级发动机不需要做很大的流量调节,发动机研制难度低。此外,本发明方案尽可能利用了火箭发动机的优势,因而具有工程实现难度低的优点。
本发明还提供了一种基于RBCC动力的三级运载器的使用方法:
步骤1、三级运载器在一级火箭飞行器动力作用下垂直起飞,并加速爬升,直至达到第二级RBCC飞行器的吸气式模态工作点,高度达到20km,速度为4马赫,此时一级飞行器与二三级组合体分离,返回原发射场;
步骤2、第二级RBCC飞行器启动吸气式模式,历经亚燃和超燃模态,速度达到10马赫,高度达到28-30Km时切换到纯火箭模态;
步骤3、第二级RBCC飞行器继续加速爬升,直至速度达到16马赫,高度达到100-120Km时与三级飞行器分离,分离后二级RBCC飞行器返回前方着陆场;
步骤4、第三级飞行器采用火箭动力继续加速,直至将运载器的载荷送入预定轨道;随后第三级飞行器再以水平着陆的方式返回原发射场。运载器的载荷一般为卫星或其它航天器。
实施例:
以200km圆轨道为例,采用本发明的一种基于RBCC动力的三级运载器,其中第一级飞行器采用大推力火箭发动机,燃料为液氧和煤油,同时采用面对称,类航天飞机的翼身融合气动外形,任务完成后可以实现以水平着陆方式返回原发射场,重复使用,其中发动机布置于机身尾部,机身内部主要为燃料贮箱,飞行器结构质量比20%,起飞推重比为1.2;第二级RBCC动力飞行器为类乘波体气动外形,升阻比较大,采用了矩形进气道和两台轴对称RBCC发动机,可工作在吸气式模态(亚燃,超燃)和火箭模态下,燃料为液氢,其中进气道和发动机均布置于飞行器翼面上方,机身内部除了燃料贮箱外还有一大型载荷舱,用来装载和连接第三级飞行器,结构质量比22%,任务完成后第二级飞行器返回发射场前方的着陆场,可重复使用;第三级火箭动力飞行器使用液氢液氧燃料,类X-37B气动外形,机身内部包括燃料贮箱和小型载荷舱,用于最后将载荷送入预定轨道,任务完成后可以再入返回原发射场,可重复使用,结构质量比25%。其中第一级飞行器和第二级飞行器采用“并联”方式连接,即第二级飞行器机身底部与第一级飞行器机身背部相连,第三级飞行器由于规模较小,搭载于第二级飞行器的大型载荷舱中,通过第二级飞行器释放来分离。
图1为本发明上述实施例中的使用方法示意图,从图中可以看出,运载器在整个入轨过程中主要包括四个飞行段:一级火箭动力段,二级吸气式模态段,二级火箭模态段,三级火箭动力段。各级飞行器完成任务后均可以水平着陆方式返回,其中第一级和第三级飞行器返回原发射场,第二级飞行器返回前方着陆场。
当飞行器工作过程结束后,获得了表1及图2-图4。
其中,表1为本实施例的三级运载器的总体参数,从表1中可以看到,其采用了火箭+RBCC+火箭的三级构型方式,其中一级,二级,三级分别采用了煤油,液氢和液氢燃料,结构质量比分别为0.2,0.22和0.25,可以将 5t载荷送入200Km圆轨道,运载效率为2.82%。
表1方案总体参数
图2为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行高度曲线示意图,从图中可以看出,在一级火箭动力段,飞行高度迅速提高;二级吸气式模态段,飞行高度缓慢增加,其主要目的是保证进气量,利用比冲较高的亚燃/超燃发动机进行加速,当切换到火箭模态后,为了降低阻力消耗,飞行高度迅速拉起;三级火箭动力段飞行高度继续增加,直至入轨。
图3为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行速度曲线示意图,从图中可以看出,所有的火箭动力段,加速时间短,加速速度快,而在RBCC吸气式模态段,加速时间较长,主要原因为RBCC吸气式模态比冲较高,但推力较小,需要较长时间加速;而火箭发动机推重比大。
图4为本发明一种基于RBCC动力的三级运载器实施例中的飞行弹道倾角曲线示意图,从图中可以看出,由于采用了垂直起飞,初始弹道倾角为90 度,在一级火箭动力段,飞行器持续下压转弯,将弹道倾角在RBCC吸气式模态前降低到0度左右;RBCC吸气式模态段,弹道倾角几乎保持在0度左右,主要为了能够水平加速;切换到火箭模态后,由于需要拉起减阻,弹道倾角略有增加;直至三级火箭动力段入轨,弹道倾角又减小到0。
一般来讲火箭的级数越多,运载效率越高。但过多的级数会导致成本增加,同时使***复杂性增加,降低可靠性,因此现有主流趋势的是降低运载器级数,通过其它手段增加运载效率。目前对于执行LEO轨道运载任务的火箭,一般采用两级构型,甚至更为先进的采用了一级半构型。
延续了运载火箭的设计传统和经验,现有的RBCC动力构型运载器无论是垂直起飞还是水平起飞,一级RBCC动力还是二级RBCC动力,普遍采用了火箭+RBCC动力的两级构型。从传统观念的角度讲,由于RBCC动力自身具备火箭模态,在RBCC级上面再增加一级火箭飞行器是一种多余和浪费,而且对于可重复运载器而言,成本和***复杂性增加是巨大的。
但研究表明,由于RBCC动力自身的特点,这种两级构型在应用时都具有突出问题。如果一级采用RBCC动力,引射模态很难实现大推力,技术难度高;二级采用RBCC动力,由于一二级分离点速度低,RBCC结构质量大,入轨时需要消耗大量燃料,运载效率低。采用本发明的火箭+RBCC+火箭构型后,较好的解决了两级构型具有的问题,虽然***复杂性有所增加,但对运载效率的提升是巨大的,反而降低了成本,增加了RBCC运载器工程应用的可行性。
同时本发明也不是简单的在两级飞行器时增加了一级,在进行构型设计时还考虑了二三级分离点对运载性能的影响,研究表明三级飞行器与RBCC 飞行器在Ma16,120Km分离时最优。
Claims (1)
1.基于RBCC动力的可重复使用运载器的使用方法,其特征在于,所述运载器,包括依次连接的三级式结构:第一级火箭动力飞行器,第二级RBCC动力飞行器和第三级火箭动力飞行器;其中第二级RBCC动力飞行器的机身底部与第一级火箭动力飞行器的机身背部相连,第三级火箭动力飞行器搭载于第二级RBCC动力飞行器的大型载荷舱中,通过第二级RBCC动力飞行器释放来分离;所述第一级火箭动力飞行器的发动机采用可回收大推力火箭助推器;所述第二级RBCC动力飞行器采用升力式构型,且其进气道位于第二级RBCC动力飞行器上方;所述第三级火箭动力飞行器采用可重复使用的轨道级,用于与所述第二级RBCC动力飞行器分离后自带动力进入空间轨道,并在完成空间任务后返回大气层水平着陆;
所述使用方法包括以下步骤:
步骤1、三级运载器在第一级火箭动力飞行器动力作用下垂直起飞,并加速爬升,直至达到第二级RBCC动力飞行器的吸气式模态工作点,高度达到20km,速度为4马赫,此时第一级火箭动力飞行器与第二级RBCC动力飞行器分离,返回原发射场;
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步骤4、第三级火箭动力飞行器采用火箭动力继续加速,直至将运载器的载荷送入预定轨道;随后第三级火箭动力飞行器再以水平着陆的方式返回原发射场。
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