航天运载器机构技术发展及展望.docx

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1、航天运载器机构技术发展及展望摘要：随着商业卫星的发射需求日益增加及空天安全战略的逐渐推进，航天运载器的发射数量呈现出逐年升高的趋势。2023年，全球8个国家及地区共执行186次航天运载器轨道发射任务，共将2497个有效载荷和24名航天员送入轨道。2023年上半年，全球9个国家及地区共执行97次航天运载器轨道发射任务，显著高于2023年同期的任务数量。在可预见的未来，低研制成本、高可靠性、多功能化的航天运载器的需求仍会不断增加，航天运载器机构技术作为航天运载器多功能化的重要技术支撑之一，其突破及发展可有效支撑航天运载器技术进步，满足更多、更高的航天运载需求。一、航天运载器与机构技术发展航天运载器

2、是把有效载荷从地面运送到太空预定位置（轨道）、从太空某位置运回地面或运送到太空另一位置的运载工具的统称。1926年，美国物理学家罗伯特戈达德研制的人类历史上第一枚液体火箭成功发射，开启了航天运载器的发展历程。1957年，苏联卫星运载火箭将世界第一颗人造卫星斯普特尼克1发射入轨，此后航天运载器需求开始急剧增长，也带动了航天运载器技术的不断突破。我国的运载火箭发展始于20世纪60年代中期，1970年4月24日,长征一号运载火箭搭载东方红一号卫星成功升空。经过50余年的技术积累与迭代，我国已经形成以长征五号、长征六号、长征七号及长征八号为代表的新一代运载火箭体系，具备了发射任意地球轨道有效载荷的能力

3、，达到了国际领先的入轨精度、安全性和可靠性水平，并探索了包括重型运载、载人登月、重复使用等在内的下一代运载火箭的发展方向，为我国在2045年前全面建成航天强国的目标奠定了坚实的基础。随着航天运载器技术的不断发展，军、民、商等用户领域也对航天运载器提出了更多、更高的多功能化需求，主要体现在以下几个方面。()落区可控近年来，随着航天运输需求的显著增加，航天运载器已经进入高密度发射阶段。虽然设计人员在飞行弹道的设计过程中会充分考虑并预测包括助推器、子级、整流罩等在内的航天运载器分离体可能的坠落范围，并使其尽量避开人口密集地区，但一方面由于社会飞速发展和人口不断增加，居住地区扩大，绝对的无人区数量及面

4、积均明显减小；另一方面由于目前航天运载器分离体的坠落为无控过程，落点分布范围较大，因此难以保证残骸的落点完全避开有人居住或活动的区域。为了落实安全、绿色的发展理念，积极履行社会责任，减少航天运载器发射对落区人民带来的影响，航天运载器分离体的落区可控技术需求日渐突出。（二）重复使用航天运输需求的大量增加对航天运载器提出了高运输效率、低制造成本和低发射费用的新需求，可重复使用航天运载器技术即为满足上述需求的有效手段之一。可重复使用航天运载器具有廉价、快速、机动、可靠等特点，可减少航天运载器一次性使用后昂贵的箭体、发动机、箭上设备等被抛弃所造成的浪费，通过多次使用部分甚至全部结构及设备，可以降低航天

5、运载器的制造和发射成本。另外，可重复使用航天运载器可在较短的时间内自由进出空间、按需返回地面，功能灵活多样，因此成为现今及未来航天运载器的重要发展方向。（三）商业发射航天运输成本的下降也反过来带动了航天运载器的商业化需求，包括商业载人航天需求和商业卫星的组合、组网发射等。商业载人航天需求即将商业客户通过航天运载器运载至轨道、亚轨道等，满足客户失重体验、空间站参观等需求。商业卫星的组网发射即星座建设，是指通过部署一定数量的卫星形成规模组网，从而向地面提供全面覆盖的通信、遥感等服务。快速商业卫星组网发射也对航天运载器的一箭多星发射能力，以及多种不同尺寸、质量、功能卫星的组合发射能力提出了更高的要求

6、。另外，也要求航天运载器能够灵活、快速完成空间发射、应急补网和系统重构等任务。（四）智能飞行航天运载器任务适应能力的不断拓展（如轨道备份、深空探测、星际运输等新型运载任务）对航天运载器的长期在轨能力提出了新的需求，即要求航天运载器额外具备强任务适应性、可长时间工作、高真空比冲、可多次启动、结构轻质化等能力和特点，并可完成智能滑轨飞行、多次变轨、多轨道撒布、长期在轨待命等多功能新型任务。另外，临近空间航天运载器需兼顾减少能量消耗、有效提高航程和航时的高效率需求，以及飞行过程中出色的爬升、冲刺或机动性能的高性能需求。而临近空间航天运载器的智能可变外形功能可作为实现上述需求的有效手段之一，即通过精确

7、调整自身形状的可变外形功能，来适应不同速度、高度、温度和其他飞行条件下的升阻比要求，从而实现运载器在临近空间中远程高超声速滑翔飞行。航天运载器机构为航天运载器中完成规定动作或运动的机械组件，是不同于承受载荷、贮存推进剂与安装仪器的航天运载器结构产品的新类型。航天运载器的多功能化需求为航天运载器机构技术发展提供了全新的机遇，而航天运载器机构技术的突破及发展可在极大程度上推动航天运载器技术进步，可有效应对日益丰富、多功能化的航天运载需求。目前，美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰9火箭及超重一星舰运输系统已经基本实现了全面机构化，通过气驱分离机构、着陆缓冲机构、栅格舵等机构实现运载器的高度可

8、回收及重复使用。因此，航天运载器机构技术成为未来航天运载器的重要支撑技术之一。反之，航天运载器多功能化的发展趋势也对机构技术提出了缓冲支撑、分离推冲、变形传动、开合等功能需求及更加严苛的性能需求。图1航天运载器及机构技术的发展图2重复使用航天运载器及新型机构需求二、航天运载器机构的功能与性能需求(-)航天运载器机构的功能需求截至目前，航天运载器机构的功能需求大体可分为以下几大类。1缓冲支撑功能航天运载器机构的缓冲和支撑功能通常用于实现对箭体、有效载荷、仪器设备等的有效支撑，同时减小航天运载器的飞行振动、分离等因素及过程对上述构成部分的冲击作用，改善其使用环境。例如，新谢泼德可重复使用运载火箭箭

9、体尾部设置的4部着陆缓冲机构，以及超重一星舰运输系统中星舰”末级尾群内沿的6部着陆缓冲机构，一方面其需要可回收部段再入着陆后支撑箭体，使其在地面尤其是海上回收平台上保持直立状态而不倾倒；另一方面还需在着陆时承受、吸收并耗散高达数十吨自重的箭体及较大着陆速度所带来的着陆冲击，以减小箭体、有效载荷等受到的冲击作用。我国也已在长征八号R运载火箭垂直着陆返回关键技术攻关中开展面向工程应用的1:1着陆缓冲机构样机研制工作，并已完成地面着陆冲击试验，但尚未进行飞行试验。另外，在长征二号F载人火箭研制过程中，为改善航天员的乘坐体验，研制团队在其上、下支撑机构中采用了堆叠式摩擦片机构，保证在逃逸过程中保持刚性

10、支撑的同时，实现正常任务中航天员乘坐时的振动缓冲。2.分离推冲功能分离推冲机构是航天运载器中使用最为广泛、可靠性要求最高的产品，用于实现航天运载器各部件间、航天运载器与有效载荷间、航天运载器与地面附件间的分离与导向。常规分离推冲机构通常基于火工品和分离火箭，具有承载能力大、作动迅速、分离可靠、环境适应性强等优点，但其具有对有效载荷分离冲击大、安全性差、污染环境、不可检不可测、不可重复使用等缺陷，也限制了其在未来航天运载器中的应用。因此，非火工分离与推冲机构技术在近年来获得了较多的研究与发展。例如，重型猎鹰运载火箭的助推器分离机构即采用了冷气推冲分离机构，超重星舰运输系统中星舰末级与超重推进级分

11、离采用基于气驱连接解锁机构的旋转抛撒分离方式，以实现级间的可重复连接与分离。猎鹰9运载火箭的一二级和整流罩分离推冲机构均采用了气动推杆机构，从而使得猎鹰9的芯一级和整流罩实现完全可重复使用。我国目前也在长征二号F、长征七号等运载火箭中成功运用了基于柔性包带和分离弹簧等的分离推冲机构，并进行了刚性包带技术的研究。此外，冷气推冲分离机构也已成功应用于中国科学院抓总研制的力箭一号运载火箭的三四级分离过程，并已随运载火箭参与完成了首次遥测飞行试验。图3航天运载器机构功能和性能需求3,变形传动功能航天运载器的变形功能指改变航天运载器部分部件位置或形状的功能，传动功能指运动方式传递转换和运动能量传递的功能

12、，将伺服机构、气驱机构的作动转变为相应机构的相应运动形式。随着航天运载器功能及控制的复杂程度逐渐加大，变形机构及传动机构在航天运载器上的应用呈逐渐增加的趋势。早期的变形及传动机构主要为推力矢量机构，随着可重复使用运载器的发展，逐渐产生了如栅格舵、可折叠着陆腿等其他变形及传动机构。以可重复使用运载火箭为例，在目前已实现成功发射和一级回收的运载火箭中，猎鹰9运载火箭采用了外翻式三角形着陆腿机构及栅格舵气动控制机构，新谢泼德运载火箭则采用了可展开的平行四边形着陆腿机构及减速板、扇形翼气动控制机构。另外，维珍银河公司的太空船二号运载器采用了平起平降的发射回收方式，待太空船二号达到预定高度后返回时，基于

13、尾桁架和一系列杠杆结构的尾翼变形机构会将尾翼变形至顺翼状态，改变其气动外形，增加阻力并减缓下降速度，实现运载器安全返航。我国目前也已通过长征二号C和长征四号B等运载火箭成功完成了基于折叠.展开式栅格舵机构的落区控制。4.开合功能航天运载器机构的开合功能主要指航天运载器在任务过程中，执行部分可开闭部件的开合运动。例如，航天飞机及美国X37B等新型轨道飞行器在轨运行期间，需要实现舱门打开、太阳能电池阵和辐射器展开等功能，在返回地面前则需要收回太阳能电池阵及辐射器等，并关闭锁紧舱门。上述功能均需由开合机构执行，且上述机构需能够承受发射及返回过程中的苛刻环境，同时还需能够在空间中正常工作，并可实现多次

14、重复使用。另外，为实现航天运载器内部的压力控制，通常需在表面设置开闭式充排气口，其口盖的开闭也通过开合机构实现。（二）航天运载器机构发展的性能需求航天运载器的多功能化发展也对以下机构的性能提出了更高要求。1环境适应性更高航天运载器机构通常需要在航天运载器高速飞行、大承载或真空等苛刻条件下工作，需要承受强烈振动、高载荷、高温或低温及高真空度等恶劣环境，并仍需满足工作稳定、性能达标、可靠性高等要求，且由于航天运载器从发射到分离、入轨乃至返回的过程中，工作环境可能产生明显变化，因此要求机构对多种环境均呈现高适应性。例如，星箭分离机构不仅需要满足日益增大的有效载荷在发射等过程中的高连接载荷需求，同时需

15、使得分离时对有效载荷的冲击作用尽可能低。又如在航天运载器飞行过程中，温度剧烈变化可能带来运载器机构及结构的变形，从而对材料性能及内部匹配尺寸等因素产生影响，进而影响机构功能的实现。2.可靠性更高航天运载器机构的可靠性直接影响航天运载器发射、飞行、返回、着陆等各个环节中关键动作的执行效果与效能，以及主要能源的输送传递，可直接影响航天运载器任务的成败。止匕外，由于航天运载器任务过程中面临可预见及不可预见的复杂环境因素，对机构可靠性的要求比地面机构的要求更高。例如，载人运载火箭中飞行可靠度指标需不小于0.97,对应分解到伺服机构单个摇摆方向上的可靠度指标则在0.999以上。因此，对相应机构的冗余设计

16、、降额设计等可靠性设计、可靠性分析与试验技术的要求均需高于甚至远高于地面机构。3.轻质性更高航天运载器除了需要追求运载任务的成功实现，同时也需满足高运载效率与高经济性的需求。尤其在航天运载过程中，单位质量的运载成本显著高于地面运输形式。近年来，商业航天蓬勃发展，这使得在保证可靠性要求的同时降低运载成本的重要性越来越高。在航天运载中，降低运载器结构及机构质量可作为降低运载成本重要且有效的手段之一。降低航天运载器机构质量一方面可以明显降低整个系统或部段的质量，提高运载效率；另一方面可以降低对机构驱动能源及控制系统的要求，提高驱动效能及控制效率。4.空间与能源利用率更高航天运载器机构通常需不影响航天运载器的结构设计，因此应在结构设计的基础上，充分利用运载器结构内的有限空间，合理设计、布置机构能源、控制、执行等构件。因此，航天运载器机构通常采用零部件小型化、装填装配密集化设