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国内首次由3D打印制造的火箭发动机完成真实飞行工况考核

国内首次由3D打印制造的火箭发动机完成真实飞行工况考核

2021年7月,坐标陕西铜川深蓝航天试验基地,随着发动机轰鸣喷焰,深蓝航天“星云-M”1号试验火箭完成了首次垂直起飞和垂直降落(VTVL)自由飞行,即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验,试验任务取得圆满成功。

本次试验飞行创造了中国民营航天的多个第一

1 首次圆满完成由泵压式发动机作为主动力的液体火箭垂直起降;

2 首次实现了液氧煤油发动机和火箭全系统的协调工作与实际飞行;

3 首次由3D打印制造的火箭发动机完成真实飞行工况的考核;

4 首次单台发动机试车、飞行重复使用累积超过10次,初步验证发动机工程化可重复使用的能力。

此次“星云-M”液体回收1号试验箭垂直回收飞行试验,实际飞行弹道最高点的相对高度近10米。火箭在起飞后按照预定轨迹飞行、爬升至预先设定的最高点后平稳下降,按预定姿态和速度约束飞行至预定着陆点,发动机按照高度和速度判据正常执行关机,箭体触地时刻纵向速度、俯仰/偏航姿态偏差满足预定要求,经着陆缓冲机构缓冲后,火箭实现平稳“软着陆”

火箭上安装的单台“雷霆-5”发动机,按照预设控制程序精准完成了上升段与下降段的实时推力调节,飞行过程中实际推力调节范围为60%~100%。飞行全程箭体姿态稳定受控、着陆平稳;着陆后经全箭综合测试,各项技术指标正常,火箭及发动机状态良好,满足再次复飞的指标要求。

本次试验所用的“星云-M”1号试验箭,经历了三次地面静态点火测试,总计时间超过了130秒 ;所配套的“雷霆-5”型发动机,本次飞行前先后参加多次地面点火试车、全箭静态点火测试,同一台发动机的累计工作次数超过10次 、累计工作时间超过500s ,基本均为大范围变工况工作状态。

通过系列点火测试和飞行试验,有力地证明了火箭和发动机产品初步达到了可重复使用的预期设计目标,为工程化可重复使用的火箭和发动机产品积累了宝贵的研制经验和实际使用数据。

 

本次试验标志着深蓝航天“回收复用”火箭技术取得重大突破:

成为国内第一家成功使用泵压式发动机完成液体火箭垂直回收飞行试验的公司,标志着中国液体火箭重复使用技术探索迈出了重要一步。

关键技术突破

深蓝航天在火箭垂直回收复用领域的多项关键技术,也在本次飞行试验中得到了充分验证,为继续开展更大规模的回收复用试验奠定了坚实的技术基础:

一:飞行过程中泵压发动机的大范围推力调节

发动机的大范围推力调节是液体火箭垂直回收的基础,在火箭垂直回收着陆的过程中,需要通过发动机的大范围推力调节来保证全箭下降和着陆过程中的过载要求,并将最终落地速度能控制在预设的范围之内。

对于泵压式发动机,实现大范围推力调节往往需要多个调节元件来实现,调节控制规律复杂,同时喷注器、涡轮泵等多个关键组件也需具备在不同的推力调节工况下可靠工作的能力。

“星云-M”液体回收试验箭使用的“雷霆-5”发动机为国内首型针栓式电动泵液氧煤油发动机,使用3D打印技术完成制造,真空推力50kN,通过电动泵可实现50%-110%推力调节,通过针栓式喷注器实现发动机不同工况的稳定工作。

本次飞行试验精确完成了多次发动机推力大范围调节,实现了对箭体上升和下降的控制,发动机全程工作正常,“雷霆-5”的推力大范围调节能力在经过多次地面静态点火的考核后,得到了实际飞行的验证。

二:垂直回收控制制导技术

垂直起降火箭相较于传统一次性使用的运载器,在飞行过程中,箭上控制制导不仅要维持上升段的姿态稳定,还要能够对下降段的速度和位置进行控制,以实现其着陆于指定地点的目标,这对控制制导算法和控制方式的结合提出了更高的要求。

此次飞行试验中,针对电动泵发动机的响应特性,设计了有别于传统的迭代控制制导算法并首次应用:基于“惯性+RTK”的组合导航信息,由箭上飞控计算机实时驱动泵电机、双摆伺服和RCS 冷气姿控系统相结合,实现了预期的平稳飞行及着陆,垂直回收控制制导技术得到了充分的实践检验。

三:着陆缓冲机构对箭体的缓冲保护

火箭回收过程中需要高可靠的着陆缓冲机构减缓着陆瞬间的冲击过载,使箭体平稳着陆。着陆缓冲机构要有较好的强度和缓冲功能以及对倾斜姿态、残余速度的适应能力,从而保证着陆姿态的稳定性,同时由于着陆支腿靠近发动机,还要具备承受发动机喷流反冲的热防护能力。本次“星云-M”着陆过程箭体姿态稳定,全箭结构完好,着陆支腿顺利实现了着陆缓冲保护的设计目的。

深蓝航天在对本次试验的数据进行完善分析的同时,“星云-M”火箭2号试验样机正在公司位于江苏南通的总装厂房内,快速进行总装和测试工作。同时,公司还将在2021年内陆续实施百米级低空飞行和高空垂直起降回收飞行试验。

同时,深蓝航天主打产品 “星云-1”入轨火箭已在去年完成一子级箭体结构样机生产和强度测试,轨道级发射及垂直回收试验也将按计划逐步实施。

▲“星云-1”入轨火箭一子级结构于2020年通过联合静力试验和低温爆破试验考核

2019年7月,同样是在经历数次地面静态点火之后,被SpaceX公司称为Starhopper星舰原型机完成了首次的垂直起降,向上飞起约20米后平稳落回了地面,整个飞行过程持续约10秒钟。美国权威媒体报道称,“虽然以高度来说这只是小小的一步,但却是SpaceX新一代回收火箭和引擎首次不连接地面设备的的自由飞行,有着划时代的意义”。

星辰大海是征途,坎坷艰辛唯不悔。本次垂直回收飞行试验仅仅是深蓝航天在“回收复用”领域探索征程的阶段性胜利,深蓝航天将勇于创新、无畏前行,为中国航天彻底掌握应用火箭回收复用技术奋斗。

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