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一种基于RBCC动力的三级运载器及其使用方法
申请号	CN201610648129.2	申请日	2016-08-09	公开(公告)号	CN106288980A	公开(公告)日	2017-01-04
申请人	西北工业大学;			发明人	闫晓东; 李俊; 周聪; 吕翔;
摘要	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。
权利要求	1.一种基于RBCC动力的可重复使用运载器，其特征在于，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。 2.如权利要求1所述的基于RBCC动力的可重复使用运载器，其特征在于，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。 3.如权利要求1或2所述的基于RBCC动力的可重复使用运载器，其特征在于，所述第二级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。 4.如权利要求1所述的基于RBCC动力的可重复使用运载器，其特征在于，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。 5.一种如权利要求1至4中任意一项所述的一种基于RBCC动力的三运载器的使用方法，其特征在于，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。
说明书全文	一种基于RBCC动力的三级运载器及其使用方法技术领域 [0001] 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 [0002] 现有航天运载系统由一次性运载火箭和重复使用运载器组成，动力系统主要有火箭发动机、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 [0003] 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。 [0004] 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； [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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： [0010] 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； [0011] 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； [0012] 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； [0013] 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。 [0014] 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 [0015] 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； [0016] 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； [0017] 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； [0018] 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 [0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 [0020] 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。 [0021] 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。 [0022] 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。 [0023] 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。 [0024] 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。 [0025] 由于RBCC级飞行器返回时速度较低，因此对热防护系统的要求也低。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。 [0026] 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： [0027] 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； [0028] 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； [0029] 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； [0030] 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。 [0031] 实施例： [0032] 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。 [0033] 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。 [0034] 当飞行器工作过程结束后，获得了表1及图2-图4。 [0035] 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％。 [0036] 表1方案总体参数 [0037] [0038] 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。 [0039] 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。 [0040] 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。 [0041] 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，同时使系统复杂性增加，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。 [0042] 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，成本和系统复杂性增加是巨大的。 [0043] 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，虽然系统复杂性有所增加，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。 [0044] 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。

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