鄭平軍，趙 勝，王 飛，蔡巧言

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)具有無毒環(huán)保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。近年來，為滿足更加快速、高效、低成本進(jìn)出空間的需求，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，且發(fā)展進(jìn)程正在加速。美國(guó)商業(yè)太空公司藍(lán)色起源公司研制的BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到240噸級(jí)，已完成全推力測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作接近尾聲，后續(xù)將用于研制火神運(yùn)載火箭；SpaceX公司的Raptor猛禽液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力為200 噸級(jí)［1］，已完成全系統(tǒng)試車。藍(lán)箭航天的天鵲80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已完成3次搖擺試車點(diǎn)火試驗(yàn)，后續(xù)將用于研制朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭；星際榮耀空間科技有限公司研制的焦點(diǎn)一號(hào)15噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已相繼完成多次全系統(tǒng)長(zhǎng)程試車及二次起動(dòng)試車，累計(jì)試車時(shí)長(zhǎng)約2 000 s，后續(xù)將用于研制可重復(fù)使用運(yùn)載火箭雙曲線二號(hào)。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)以其重復(fù)使用性能好、使用維護(hù)便捷的特點(diǎn)，在不遠(yuǎn)的將來必將作為重復(fù)使用運(yùn)載器的重要?jiǎng)恿ρb置之一登上航天運(yùn)載的展示舞臺(tái)［2］。

本文對(duì)基于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行分析，包括運(yùn)載器的技術(shù)特點(diǎn)、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并基于此提出后續(xù)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

重復(fù)使用運(yùn)載器以“廉價(jià)、快速、機(jī)動(dòng)、可靠”為目標(biāo)，正成為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。以美國(guó)為代表的航天強(qiáng)國(guó)在重復(fù)使用運(yùn)載器研制方面投入了大量經(jīng)費(fèi)，開展了眾多研究，已基本實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的工程化應(yīng)用，典型代表如航天飛機(jī)和SpaceX公司的獵鷹9運(yùn)載火箭。

航天飛機(jī)采用垂直起飛水平著陸模式，是一種升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器，該類型運(yùn)載器典型特點(diǎn)為采用面對(duì)稱翼身組合體升力式構(gòu)型，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，兼具航空器和航天器的特點(diǎn)，能夠垂直起飛、水平著陸，具有大空域（0～200 km）、寬速域（馬赫數(shù)0～28）飛行能力，主要涉及氣動(dòng)力熱、飛行控制、重復(fù)使用結(jié)構(gòu)、重復(fù)使用評(píng)估、重復(fù)使用動(dòng)力等技術(shù)難題。獵鷹9運(yùn)載火箭采用垂直起飛垂直著陸模式，是一種軸對(duì)稱式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器。該類型運(yùn)載器典型特點(diǎn)為軸對(duì)稱構(gòu)型，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過降落傘、垂直返回等方式回收，主要涉及大范圍推力調(diào)節(jié)、二次起動(dòng)等動(dòng)力難題及重復(fù)使用評(píng)估等難題。兩種典型模式如圖1所示。

圖1 重復(fù)使用運(yùn)載器兩種典型模式Fig.1 Two typical modes of reusable carriers

基于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用運(yùn)載器可采用垂直起飛水平著陸模式，也可采用垂直起降模式，兩種模式對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求不盡相同。垂直起飛水平著陸模式的重復(fù)使用運(yùn)載器一般為兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器，其中重復(fù)使用一級(jí)和重復(fù)使用二級(jí)均采用翼身組合體升力式構(gòu)型和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。其返回過程中為無動(dòng)力著陸，采用了大量的氣動(dòng)舵面，從而減少對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，僅在上升段使用發(fā)動(dòng)機(jī)。垂直起降模式的重復(fù)使用運(yùn)載器一般也是兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器，其中重復(fù)使用一級(jí)和重復(fù)使用二級(jí)均采用軸對(duì)稱構(gòu)型和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。兩者對(duì)于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的要求在于可大范圍變推、可二次起動(dòng)。相比較來看，垂直起降模式的重復(fù)使用運(yùn)載器對(duì)于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的要求更高［3］。

以升力式兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器為研究對(duì)象，在起飛規(guī)模相當(dāng)、重復(fù)使用二子級(jí)相同的情況下，將基于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的升力式兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器與基于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的升力式兩級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行運(yùn)載能力分析，結(jié)果表明：兩者運(yùn)載能力基本相當(dāng)，原因在于雖然液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的理論比沖較液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)高約100 m/s［4］，但由于其密度比煤油低，相同耗量的推進(jìn)劑需更大的貯箱，造成運(yùn)載器結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加，抵消了比沖的增量。

隨著耐高溫輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，且液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)由于在重復(fù)使用和使用維護(hù)方面具有優(yōu)良的綜合性能，成本更低，已成為重復(fù)使用運(yùn)載器的理想動(dòng)力型式，各國(guó)均在發(fā)展基于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用運(yùn)載器。

2 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)和終極目標(biāo)是減少運(yùn)載器箭體、發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣設(shè)備一次性使用所造成的浪費(fèi)，通過多次使用分?jǐn)傎M(fèi)用來降低運(yùn)載器的生產(chǎn)與發(fā)射成本。以升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器為例，其最大的難題在于重復(fù)使用動(dòng)力系統(tǒng)、耐高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、健康檢測(cè)及故障診斷、熱防護(hù)系統(tǒng)等如何實(shí)現(xiàn)多次使用評(píng)估、高可靠、易維護(hù)及低成本。

a）重復(fù)使用動(dòng)力系統(tǒng)方面：需滿足長(zhǎng)壽命、大范圍推力調(diào)節(jié)、二次啟動(dòng)、快速檢測(cè)維護(hù)、低成本等要求，而現(xiàn)有的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)體系均為一次性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)或氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)存在較大的局限性，維護(hù)處理流程復(fù)雜，需重新開展液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)之初即考慮重復(fù)使用和使用維護(hù)需求，滿足長(zhǎng)壽命、大范圍推力調(diào)節(jié)、二次起動(dòng)、快速檢測(cè)維護(hù)、低成本等要求。

b）耐高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面：升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器結(jié)構(gòu)系數(shù)高達(dá)30%，降低結(jié)構(gòu)干重是該運(yùn)載器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難點(diǎn)。解決措施主要有三個(gè)方面，分別是：1）主承力結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料，如T-800；2）為降低結(jié)構(gòu)重量，液氧貯箱和甲烷貯箱設(shè)計(jì)為共底貯箱，液氧甲烷屬于低溫推進(jìn)劑，常壓下液氧溫度為92 K，甲烷溫度為110 K，兩者的溫度接近；3）結(jié)構(gòu)貯箱一體化設(shè)計(jì)，既能夠適應(yīng)上升段的軸向載荷，也要能適應(yīng)返回段的法向載荷。

c）健康檢測(cè)及故障診斷方面：重復(fù)使用運(yùn)載器故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Managemeng，PHM）系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器全壽命周期健康狀態(tài)管理的一種革新方案，是故障檢測(cè)、故障隔離、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估及地面維修的綜合技術(shù)，考慮到當(dāng)前PHM 技術(shù)發(fā)展水平，難以單純依靠機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)大量狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取和故障模式的準(zhǔn)確診斷，解決途徑是采用“機(jī)載—地面”聯(lián)合工作和協(xié)同管理的工作模式，地面部分PHM 有效輔助機(jī)載部分PHM，實(shí)現(xiàn)全面、準(zhǔn)確和即時(shí)的健康管理活動(dòng)。

d）熱防護(hù)系統(tǒng)方面：熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重復(fù)使用運(yùn)載器設(shè)計(jì)的核心問題和目前的主要技術(shù)難題。從軌道及亞軌道無動(dòng)力返回地面的航天運(yùn)載器具有巨大的動(dòng)能和勢(shì)能，滑翔飛行過程的飛行速度達(dá)5 km/s量級(jí)，處于極其惡劣的飛行環(huán)境，總加熱量相當(dāng)巨大。解決途徑主要有兩個(gè)，即通過飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)減少氣動(dòng)加熱，以及通過防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸收并消耗加熱量。與熱防護(hù)密切相關(guān)的重復(fù)使用技術(shù)挑戰(zhàn)還包括在滿足質(zhì)量、容積及尺寸等總體約束條件下，進(jìn)行氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)。首先，隨著彈道系數(shù)的增加，飛行器最大熱流和總加熱量均隨之增加，而最大過載、再入航程、再入飛行時(shí)間變化不大。隨升阻比增加，最大熱流和最大過載減小，而總加熱量、再入航程及再入飛行時(shí)間增加。因此運(yùn)載器設(shè)計(jì)時(shí)需增大升阻比，并同時(shí)增大阻力，這顯然是矛盾的。其次，為提高升阻比，高超再入飛行器的氣動(dòng)布局變得更加扁平，不僅使容積利用率降低，而且還進(jìn)一步引起俯仰方向和橫側(cè)方向的穩(wěn)定和操作差異，特別是運(yùn)載器返回途中大部分時(shí)間以大攻角飛行，為獲得足夠的橫向穩(wěn)定配平能力和機(jī)動(dòng)飛行距離，需要對(duì)控制方案，尤其是橫側(cè)向控制方案進(jìn)行更加精細(xì)的設(shè)計(jì)，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)與反作用控制系統(tǒng)（Reaction Control Systems，RCS）及氣動(dòng)舵面的復(fù)合控制方案有益于解決這一問題。再次，質(zhì)量約束對(duì)于運(yùn)載器而言比容積等約束更重要，質(zhì)量減小可減小彈道系數(shù)，提高減速能力并降低熱流，為進(jìn)一步減少熱防護(hù)負(fù)擔(dān)和質(zhì)量打下有益基礎(chǔ)［2］。

3 后續(xù)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

重復(fù)使用運(yùn)載器集航天器和航空器的特點(diǎn)于一身，與一次性運(yùn)載火箭相比，面臨著諸多重大關(guān)鍵技術(shù)難題，能否攻克這些技術(shù)難題關(guān)系到研制工作的成敗?；谝貉跫淄榈闹貜?fù)使用運(yùn)載器在重復(fù)使用總體設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)，上升在軌再入返回著陸一體化制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，大尺寸輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)、重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，健康管理預(yù)測(cè)與重復(fù)使用運(yùn)行維護(hù)技術(shù)，重復(fù)使用熱防護(hù)技術(shù)等方面還需進(jìn)一步開展工作。

3.1 重復(fù)使用總體設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器總體方案和關(guān)鍵技術(shù)具有前瞻性，其系統(tǒng)集成性強(qiáng)，諸多關(guān)鍵技術(shù)尚需驗(yàn)證。長(zhǎng)期以來，各航天大國(guó)積極開展重復(fù)使用運(yùn)載器相關(guān)技術(shù)和項(xiàng)目的研究，積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但距體系化、成熟化、實(shí)用化的工程應(yīng)用仍有較大差距，后續(xù)還需在重復(fù)使用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、先進(jìn)的總體設(shè)計(jì)、健康管理技術(shù)等方面深入研究。

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器50 次重復(fù)使用的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、動(dòng)力等系統(tǒng)提出了多次重復(fù)使用及每次飛行前評(píng)估的需求，一架樣機(jī)一次飛行后，對(duì)樣機(jī)是否具備再次飛行能力的評(píng)估，目前仍缺乏手段與方法，需釆用健康管理技術(shù)對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、動(dòng)力等系統(tǒng)進(jìn)行在線長(zhǎng)時(shí)間工作健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)和管理，評(píng)估各系統(tǒng)的疲勞及沖擊損傷，解決機(jī)體冷熱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全重復(fù)使用問題；須通過機(jī)內(nèi)自測(cè)試（Built Ⅰn Test，BⅠT）、跨系統(tǒng)綜合推理，實(shí)現(xiàn)精確的在線故障檢測(cè)與隔離，在飛行器功能降級(jí)情況下進(jìn)行狀態(tài)管理，保證任務(wù)成功須通過關(guān)鍵部件故障預(yù)測(cè)和全機(jī)壽命管理實(shí)現(xiàn)視情維護(hù)，保證重復(fù)使用飛行安全、成功［4-5］。

3.2 上升再入返回著陸一體化制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，充分考慮上升段的特殊性和制導(dǎo)控制精度的可行性，結(jié)合再入的特殊需求和指標(biāo)約束，綜合考慮著陸指標(biāo)和落區(qū)散布要求，充分細(xì)化各個(gè)飛行階段的設(shè)計(jì)潛能，得到合理的離軌條件、再入和著陸飛行性能。通過高動(dòng)態(tài)高精度組合導(dǎo)航、導(dǎo)航設(shè)計(jì)精度指標(biāo)分配、飛行軌跡規(guī)劃與航程能力預(yù)測(cè)、快速落區(qū)預(yù)測(cè)與在線制導(dǎo)、可重構(gòu)控制等技術(shù)的攻關(guān)，奠定全程一體化的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用基礎(chǔ)，并通過地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)和六自由度試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證，從而加速推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的工程應(yīng)用。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于面對(duì)稱體垂直發(fā)射飛行控制技術(shù)、大攻角再入RCS氣動(dòng)舵面復(fù)合控制技術(shù)、快速自動(dòng)重構(gòu)的多余度飛行控制技術(shù)等。

3.3 大尺寸輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器箭體結(jié)構(gòu)尺寸大、構(gòu)型復(fù)雜，同時(shí)為了追求低結(jié)構(gòu)系數(shù)，需要采用大尺寸復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)。重復(fù)使用運(yùn)載器對(duì)復(fù)合材料使用率、尺寸精度及加工損傷控制提出了新要求，在大尺寸復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性、變形控制、裝配精度等方面亟須開展系統(tǒng)研究。

為滿足飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕質(zhì)化的要求，進(jìn)行輕質(zhì)化復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)開展復(fù)合材料性能研究、大型復(fù)雜曲面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)CAD/CAE/CAM設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)研究、變剛度復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)制造、大型復(fù)合材料和金屬構(gòu)件高精度總裝總測(cè)及評(píng)價(jià)等，突破大尺寸輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配、測(cè)量等方面的技術(shù)。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于防熱/承力一體化輕質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、重復(fù)使用結(jié)構(gòu)與防熱系統(tǒng)匹配技術(shù)、高效高精度舵面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)雜布局與極小空間下的系統(tǒng)裝配技術(shù)、低溫貯箱傳力/防熱一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.4 重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器采用液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，為實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重復(fù)使用是關(guān)鍵?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)研制難度大、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制成本在整個(gè)飛行器中占有較大比例?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)，一次任務(wù)完成后通過維修或更換部分零部件，即可滿足下次飛行任務(wù)的可靠性要求，是有效降低發(fā)射任務(wù)成本的最佳途徑。

重復(fù)使用液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制重點(diǎn)在于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、降低研制成本，在發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、長(zhǎng)壽命、多工況、多次使用維護(hù)、故障診斷等方面開展重點(diǎn)研究。相關(guān)技術(shù)攻關(guān)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)二次起動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)、二次起動(dòng)間隔期發(fā)動(dòng)機(jī)處理、發(fā)動(dòng)機(jī)總體優(yōu)化及輕質(zhì)化、發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于高可靠長(zhǎng)壽命高效渦輪泵技術(shù)，高可靠長(zhǎng)壽命熱力組件技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)二次起動(dòng)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用能力驗(yàn)證技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)、評(píng)估及使用維護(hù)技術(shù)［6］。

3.5 健康管理預(yù)測(cè)與重復(fù)使用運(yùn)行維護(hù)技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器對(duì)運(yùn)行維護(hù)和操作提出了很高要求，需要把安全性、可靠性、費(fèi)用效益與故障管理、維修保障支持等結(jié)合在一起，針對(duì)飛行器重要部件、各分系統(tǒng)進(jìn)行全面的維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。面向工作流程，運(yùn)行維護(hù)和操作系統(tǒng)的主要功能分為著陸后評(píng)估與維修、修理后再評(píng)估與返修兩個(gè)階段。著陸后評(píng)估與維修用于飛行器著陸后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行健康評(píng)估，并按照健康評(píng)估的結(jié)論與產(chǎn)品的修理級(jí)別，提出產(chǎn)品更換或修理建議。維修后再評(píng)估與返修用于產(chǎn)品維修后對(duì)維修后產(chǎn)品的健康狀態(tài)進(jìn)行再評(píng)估，判斷其是否滿足再次飛行的要求，如不滿足則提出產(chǎn)品返修建議。

圖2 重復(fù)使用運(yùn)載器維護(hù)維修Fig.2 Reusable carrier maintenance and repair

針對(duì)重復(fù)使用運(yùn)載器的飛行環(huán)境和任務(wù)需求，綜合考慮運(yùn)載器健康管理系統(tǒng)的需求，分析常用故障診斷和健康管理技術(shù)，建立總體、動(dòng)力、航電、結(jié)構(gòu)的故障模型，完成地面故障仿真注入，重點(diǎn)開展飛行器測(cè)試發(fā)射階段的故障診斷、飛行過程中的健康監(jiān)測(cè)、返回后的評(píng)估與維修三大部分技術(shù)攻關(guān)，由此為天地往返飛行器重復(fù)使用提供關(guān)鍵保障。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于故障診斷和健康管理技術(shù)、壽命周期自主保障技術(shù)、重復(fù)使用天地往返飛行器壽命評(píng)估技術(shù)。

3.6 重復(fù)使用熱防護(hù)技術(shù)

升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器飛行馬赫數(shù)高，惡劣的氣動(dòng)加熱使飛行器表面溫度急劇增高，為保證原始?xì)鈩?dòng)外形和再入返回階段精確控制，熱防護(hù)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)高溫不燒蝕，同時(shí)，為有效隔絕熱量，使內(nèi)部分系統(tǒng)處于正常工作環(huán)境中，熱防護(hù)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)高效隔熱。因此，升力式液氧甲烷重復(fù)使用運(yùn)載器對(duì)熱防護(hù)材料性能提出了長(zhǎng)時(shí)間、超高溫、非燒蝕、輕質(zhì)、高效隔熱、多功能一體化、可重復(fù)使用等前所未有的嚴(yán)苛要求。

基于機(jī)身大面積迎風(fēng)面、機(jī)頭錐、翼前緣等部位熱結(jié)構(gòu)方案，以熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所獲得熱結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度、剛度、溫度、質(zhì)量、加工精度等條件作為制備技術(shù)指標(biāo)要求，圍繞可重復(fù)使用防隔熱材料設(shè)計(jì)方案與成型工藝方法，建立合理的復(fù)合工藝流程，制備出質(zhì)量均勻能夠滿足高溫長(zhǎng)時(shí)非燒蝕防熱材料、高效隔熱材料、動(dòng)靜熱密封材料與防熱/承載一體化熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，進(jìn)行常溫/高溫力學(xué)、熱物理性能綜合評(píng)價(jià)與分析，建立部件工藝結(jié)構(gòu)—性能的相關(guān)性，并開展大面積抗氧化涂層的制備與優(yōu)化、精密加工研究。系統(tǒng)開展數(shù)量眾多、要求各異的全機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)裝配工藝技術(shù)研究，確定熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)裝配工藝流程與參數(shù)，確保裝配精度、裝配公差滿足總體設(shè)計(jì)要求。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于重復(fù)使用防隔熱材料制備，高溫動(dòng)/靜密封與連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，重復(fù)使用防熱系統(tǒng)裝配、檢測(cè)與快速修補(bǔ)技術(shù)。

4 結(jié)束語

基于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用運(yùn)載器代表了重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展方向，更易實(shí)現(xiàn)低成本。以面對(duì)稱翼身組合體升力式構(gòu)型為代表的垂直起飛水平降落構(gòu)型方案以其大空域、寬速域飛行能力技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為該領(lǐng)域研究的重要方向。其總體設(shè)計(jì)中面臨的最大難題在于重復(fù)使用動(dòng)力系統(tǒng)、耐高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、健康監(jiān)測(cè)及故障診斷、熱防護(hù)系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)外圍繞這些難題已開展多年關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，取得大量研究成果。為實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用運(yùn)載器“廉價(jià)、快速、機(jī)動(dòng)、可靠”的目標(biāo)，后續(xù)可持續(xù)開展液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用運(yùn)載器總體關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加快關(guān)鍵技術(shù)飛行驗(yàn)證，為早日具備工程研制條件奠定基礎(chǔ)。