一種基於RBCC動力的三級運載器及其使用方法與流程
2023-06-09 03:10:11 1
本發明屬於航空宇航科學與技術領域，涉及一種基於RBCC動力的三級運載器。
背景技術：
現有航天運載系統由一次性運載火箭和重複使用運載器組成，動力系統主要有火箭發動機、火箭基組合循環發動機(RBCC)、脈衝爆震發動機等。其中以RBCC發動機為動力的重複使用運載器主由兩級構成：上面級和下面級，其方案為上面級採用RBCC發動機，下面級採用火箭發動機；或者下面級採用RBCC發動機，上面級採用火箭發動機。不管採用哪種方式，運載器的起飛質量都比較大，運載效率不夠高。
技術實現要素：
本發明的發明目的是提供一種基於RBCC動力的三級運載器，以解決現有技術中運載器的起飛質量較大，運載效率較低的問題。
本發明所採用的第一種技術方案是，一種基於RBCC動力的可重複使用運載器，包括依次連接的三級式結構：第一級火箭動力飛行器，第二級RBCC動力飛行器和第三級火箭動力飛行器；
其中第二級RBCC動力飛行器的機身底部與第一級火箭動力飛行器的機身背部相連，第三級飛行器搭載於第二級飛行器的大型載荷艙中，通過第二級飛行器釋放來分離。
進一步的，第一級火箭動力飛行器的發動機採用可回收大推力火箭助推器。
進一步的，第二級RBCC飛行器採用升力式構型，且其進氣道位於第二級飛行器上方。
進一步的，第三級火箭動力飛行器採用可重複使用的軌道級，用於與所述第二級RBCC動力飛行器分離後自帶動力進入空間軌道，並在完成空間任務後返回大氣層水平著陸。
本發明所採用的第二種技術方案是，一種基於RBCC動力的三運載器的使用方法，包括以下步驟：
步驟1、三級運載器在一級火箭飛行器動力作用下垂直起飛，並加速爬升，直至達到第二級RBCC飛行器的吸氣式模態工作點，高度達到20km，速度為4馬赫，此時一級飛行器與二三級組合體分離，返回原發射場；
步驟2、第二級RBCC飛行器啟動吸氣式模式，歷經亞燃和超燃模態，速度達到10馬赫，高度達到28-30Km時切換到純火箭模態；
步驟3、第二級RBCC飛行器繼續加速爬升，直至速度達到16馬赫，高度達到100-120Km時與三級飛行器分離，分離後二級RBCC飛行器返回前方著陸場；
步驟4、第三級飛行器採用火箭動力繼續加速，直至將運載器的載荷送入預定軌道；隨後第三級飛行器再以水平著陸的方式返回原發射場。
本發明的有益效果是，採用三級結構運載器，其中間級採用RBCC發動機，充分利用了RBCC發動機比衝高、多模態工作的特點，大大提高了運載器的運載能力和效率，並且工程實現更為容易；同時減輕了起飛質量小，從而提升進入太空的運載能力，降低了發射成本。
附圖說明
圖1為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器的使用方法示意圖；
圖2為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行高度曲線示意圖；
圖3為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行速度曲線示意圖；
圖4為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行彈道傾角曲線示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明提供了一種基於RBCC動力的三級運載器，包括依次連接的三級式結構：第一級火箭動力飛行器，第二級RBCC動力飛行器和第三級火箭動力飛行器。
其中，第一級火箭動力飛行器的發動機採用可回收大推力火箭助推器，避免了RBCC在低動壓區發動機效率低且難以垂直發射的缺點。
現有RBCC飛行器進氣道多位於機翼下方，氣動性能不佳。本發明的第二級RBCC飛行器採用升力式構型，且其進氣道位於第二級飛行器上方，可以避免發動機進排氣對飛行器氣動特性的耦合幹擾，提升氣動性能，且充分利用了RBCC吸氣式模態的高比衝，以及RBCC發動機可多模態工作的優點。
現有三級飛行器一般為一次性使用，而本發明的第三級火箭動力飛行器採用可重複使用的軌道級，用於與所述第二級RBCC動力飛行器分離後自帶動力進入空間軌道，並在完成空間任務後返回大氣層水平著陸，可重複使用，且水平著陸返回的方式可以降低運營成本。避免了RBCC動力飛行器結構質量大的缺點。
本發明所提出的一種基於RBCC動力的三級運載器，充分發揮了RBCC發動機的優勢，避免了RBCC動力的不足，因而具有很高的運載效率，而且工程實現的難度低。
由於RBCC級飛行器返回時速度較低，因此對熱防護系統的要求也低。RBCC級發動機不需要做很大的流量調節，發動機研製難度低。此外，本發明方案儘可能利用了火箭發動機的優勢，因而具有工程實現難度低的優點。
本發明還提供了一種基於RBCC動力的三級運載器的使用方法：
步驟1、三級運載器在一級火箭飛行器動力作用下垂直起飛，並加速爬升，直至達到第二級RBCC飛行器的吸氣式模態工作點，高度達到20km，速度為4馬赫，此時一級飛行器與二三級組合體分離，返回原發射場；
步驟2、第二級RBCC飛行器啟動吸氣式模式，歷經亞燃和超燃模態，速度達到10馬赫，高度達到28-30Km時切換到純火箭模態；
步驟3、第二級RBCC飛行器繼續加速爬升，直至速度達到16馬赫，高度達到100-120Km時與三級飛行器分離，分離後二級RBCC飛行器返回前方著陸場；
步驟4、第三級飛行器採用火箭動力繼續加速，直至將運載器的載荷送入預定軌道；隨後第三級飛行器再以水平著陸的方式返回原發射場。運載器的載荷一般為衛星或其它太空飛行器。
實施例：
以200km圓軌道為例，採用本發明的一種基於RBCC動力的三級運載器，其中第一級飛行器採用大推力火箭發動機，燃料為液氧和煤油，同時採用面對稱，類太空梭的翼身融合氣動外形，任務完成後可以實現以水平著陸方式返回原發射場，重複使用，其中發動機布置於機身尾部，機身內部主要為燃料貯箱，飛行器結構質量比20％，起飛推重比為1.2；第二級RBCC動力飛行器為類乘波體氣動外形，升阻比較大，採用了矩形進氣道和兩臺軸對稱RBCC發動機，可工作在吸氣式模態(亞燃，超燃)和火箭模態下，燃料為液氫，其中進氣道和發動機均布置於飛行器翼面上方，機身內部除了燃料貯箱外還有一大型載荷艙，用來裝載和連接第三級飛行器，結構質量比22％，任務完成後第二級飛行器返回發射場前方的著陸場，可重複使用；第三級火箭動力飛行器使用液氫液氧燃料，類X-37B氣動外形，機身內部包括燃料貯箱和小型載荷艙，用於最後將載荷送入預定軌道，任務完成後可以再入返回原發射場，可重複使用，結構質量比25％。其中第一級飛行器和第二級飛行器採用「並聯」方式連接，即第二級飛行器機身底部與第一級飛行器機身背部相連，第三級飛行器由於規模較小，搭載於第二級飛行器的大型載荷艙中，通過第二級飛行器釋放來分離。
圖1為本發明上述實施例中的使用方法示意圖，從圖中可以看出，運載器在整個入軌過程中主要包括四個飛行段：一級火箭動力段，二級吸氣式模態段，二級火箭模態段，三級火箭動力段。各級飛行器完成任務後均可以水平著陸方式返回，其中第一級和第三級飛行器返回原發射場，第二級飛行器返回前方著陸場。
當飛行器工作過程結束後，獲得了表1及圖2-圖4。
其中，表1為本實施例的三級運載器的總體參數，從表1中可以看到，其採用了火箭+RBCC+火箭的三級構型方式，其中一級，二級，三級分別採用了煤油，液氫和液氫燃料，結構質量比分別為0.2，0.22和0.25，可以將5t載荷送入200Km圓軌道，運載效率為2.82％。
表1方案總體參數
圖2為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行高度曲線示意圖，從圖中可以看出，在一級火箭動力段，飛行高度迅速提高；二級吸氣式模態段，飛行高度緩慢增加，其主要目的是保證進氣量，利用比衝較高的亞燃/超燃發動機進行加速，當切換到火箭模態後，為了降低阻力消耗，飛行高度迅速拉起；三級火箭動力段飛行高度繼續增加，直至入軌。
圖3為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行速度曲線示意圖，從圖中可以看出，所有的火箭動力段，加速時間短，加速速度快，而在RBCC吸氣式模態段，加速時間較長，主要原因為RBCC吸氣式模態比衝較高，但推力較小，需要較長時間加速；而火箭發動機推重比大。
圖4為本發明一種基於RBCC動力的三級運載器實施例中的飛行彈道傾角曲線示意圖，從圖中可以看出，由於採用了垂直起飛，初始彈道傾角為90度，在一級火箭動力段，飛行器持續下壓轉彎，將彈道傾角在RBCC吸氣式模態前降低到0度左右；RBCC吸氣式模態段，彈道傾角幾乎保持在0度左右，主要為了能夠水平加速；切換到火箭模態後，由於需要拉起減阻，彈道傾角略有增加；直至三級火箭動力段入軌，彈道傾角又減小到0。
一般來講火箭的級數越多，運載效率越高。但過多的級數會導致成本增加，同時使系統複雜性增加，降低可靠性，因此現有主流趨勢的是降低運載器級數，通過其它手段增加運載效率。目前對於執行LEO軌道運載任務的火箭，一般採用兩級構型，甚至更為先進的採用了一級半構型。
延續了運載火箭的設計傳統和經驗，現有的RBCC動力構型運載器無論是垂直起飛還是水平起飛，一級RBCC動力還是二級RBCC動力，普遍採用了火箭+RBCC動力的兩級構型。從傳統觀念的角度講，由於RBCC動力自身具備火箭模態，在RBCC級上面再增加一級火箭飛行器是一種多餘和浪費，而且對於可重複運載器而言，成本和系統複雜性增加是巨大的。
但研究表明，由於RBCC動力自身的特點，這種兩級構型在應用時都具有突出問題。如果一級採用RBCC動力，引射模態很難實現大推力，技術難度高；二級採用RBCC動力，由於一二級分離點速度低，RBCC結構質量大，入軌時需要消耗大量燃料，運載效率低。採用本發明的火箭+RBCC+火箭構型後，較好的解決了兩級構型具有的問題，雖然系統複雜性有所增加，但對運載效率的提升是巨大的，反而降低了成本，增加了RBCC運載器工程應用的可行性。
同時本發明也不是簡單的在兩級飛行器時增加了一級，在進行構型設計時還考慮了二三級分離點對運載性能的影響，研究表明三級飛行器與RBCC飛行器在Ma16，120Km分離時最優。