亚轨道远程极速重载运输系统总体设计与控制技术研究

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陈蓉, 汪小卫, 宋征宇, 等.亚轨道远程极速重载运输系统总体设计与控制技术研究［J］.宇航总体技术,2024,8(4)：43-51.

Chen R, Wang X W, Song Z Y, et al. Research on suborbital long-range heavy aerospace transportation system design and control technology［J］. Astronautical Systems Engineering Technology, 2024,8(4)：43-51.

全文链接

http://yhztjs.zghtqk.com/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20240405&flag=1

文章导读

摘要

近年来，随着运载火箭复用技术的快速发展，基于航天运载技术实现全球点对点极速运输已受到国际航天界的广泛关注。提出了亚轨道远程极速重载运输系统发展设想，综合利用太空高速的超微阻力特征和大气层内升力起飞及滑翔降落的便利，运载能力达到60t级，具有小时级全球到达能力。结合任务特点与初步技术方案分析了运输系统总体设计与控制技术中的科学挑战与研究方法，并给出了初步结果分析，可为未来远程极速运输系统设计提供参考。

主要内容

1

发展设想

面向未来航班化全球点对点运输任务，通过与国外全球极速运输系统（如SpaceX超重星舰、德宇航Spaceliner运输系统）以及航空大型运输机类比，设想亚轨道远程极速重载运输系统（简称运输系统）的运载能力为60t级（与大型运输机相当），具有小时级远程到达（≥10000km航程）、航班化可复用（100次以上）、高可靠、低成本等特点。目前，面向垂直起降方式的研究已比较充分，SpaceX的法尔肯9运载火箭已成功实现了商业化运营；面向垂直起飞、水平着陆方式的研究也取得显著的进展。相比而言，面向水平起降的研究相对薄弱。目前大型飞机主要采用水平起降方式，即升力起飞、滑翔着陆。未来水平起降应用于地球表面点对点航班化运输时，可在现有大型机场上改进，或继承现有机场的建设经验。对比垂直起降带来的装卸货难度大，水平起降更易实现装卸货，并可利用当前大型飞机的基础设施。此外，采用水平起降方式飞行全程载荷在运输系统内姿态变化不大，更适合于未来载人航班化快速运输。

综合以上考虑，提出一种水平起降火箭动力亚轨道远程极速重载运输系统发展设想，能够综合利用太空高速的超微阻力特征和大气层内升力起飞、滑翔降落的便利，基于现有跑道改进或新建发射场，运输系统在出发地发动机点火自主起飞，在目的地自主返回水平着陆，经过简单维护后快速执行下一次任务。通过该运输系统可以探索一种未来新型原创交通运载模式，实现航天运载与交通运输的融合创新发展。

基于发展设想，重点围绕以下几个目标，开展探索性研究：1）探索理论上基本可行的技术方案；2）分析工程上可控实现需关注与解决的技术难题；3）重点围绕总体设计与制导控制技术，剖析可能涉及的科学问题；4）通过科学问题的研究，提供工程可实现的途径。

2

技术途径分析

重载运输系统由助推级+载荷级组成，采用两级背驼升力式构型布局，两级组合体水平滑跑起飞爬升，助推级、载荷级分离后，助推级无动力水平返回；载荷级发动机点火继续爬升至一定高度（经亚轨道）后下降，随后发动机关机、无动力滑翔再入，最终水平着陆目的地。

重载运输系统与现有运输系统的能力、规模及尺寸参数对比如下表所示。相比其他运输系统，重载运输系统设计上相对先进，但并非不可行。

运输系统能力、规模及尺寸对比表

面向工程实现，需要重点关注与解决：

1）运输系统返回时需具备足够的升力来实现水平着陆，需要设计较大的机翼满足升力需求； 2）着陆时需利用特定的机场、跑道，需要设计起落架等机构； 3)相对于传统运载火箭，其结构效率相对较低且总体设计差异较大； 4)面临防热、承载、控制等难题，尤其当运载能力的需求大幅增加时，大尺度效应还将带来一系列的科学挑战。

3

科学挑战与研究方法

基于亚轨道远程极速重载运输系统任务特点与初步技术方案，本文重点聚焦其总体设计与制导控制技术，分析面临的主要科学挑战如下。

1）多目标强耦合高维度复杂系统总体设计优化与多源数据驱动下响应快速精确预示。亚轨道远程极速重载运输系统总体设计面临最大航程、最短航时、规模、运载能力等优化目标繁多，涉及气动、弹道、结构、控制等多学科耦合性强，总体参数、气动外形参数、弹道参数等设计变量维度极高等特点。通过构建复杂系统总体设计优化方法并提高优化效率，在保证重载运输系统能力和性能不变的情况下，寻找最优构型，以最大限度降低规模和工程实现难度。

2）高马赫数高频次长航时飞行力热结构多场耦合机理及系统可靠性与寿命判据。面向航班化的亚轨道远程极速重载运输系统疲劳问题凸显，尤其对于力热环境极端恶劣的结构在交变载荷作用下容易出现低周疲劳失效问题，影响运输系统的寿命和可靠性。避免过于保守的设计，通过对飞行环境多场域耦合机理的深入剖析，为重载运输系统飞行剖面设计提供准确的参考，同时提高复杂系统飞行可靠性与寿命预估的准确性。

3）长时高气动不确定性强约束下在线轨迹规划与低频密频弹振弱模型依赖控制。重载运输系统受长时气动作用，轨迹规划模型的非线性显著，“小包络”模型处理手段不再适用；升力式外形与高动压、大特征面积的共同作用，使得过程约束易达到容许边界，规划可行域狭窄；采用薄壁大翼展结构，其气弹效应显著，刚弹低频特性混叠，推进剂时变导致振动频率呈现显著的时变特性；跨空域的气动表征机理不同且尚未完全清晰，复杂构型组合体连接处带来的扰流气动。针对上述特点，通过降低控制系统对模型准确性的依赖度并最大化其偏差适应能力，满足更优飞行剖面的约束，从而提升重载运输系统的综合效能。

针对以上３部分科学挑战，其研究思路与研究方法：1）梳理多学科耦合数据流关系，发展重载运输系统总体设计优化方法，并提升优化效率与预示精度；2）针对重载运输系统高速飞行过程中面临严酷力热环境以及可复用100次以上带来的结构疲劳等问题，开展高马赫数高频次长航时飞行力热结构多场耦合机理及系统可靠性与寿命判据，并为总体设计优化提供多场耦合机理模型；3）通过上述两条获得重载运输系统初步总体方案，并为制导控制研究提供物理可行域与飞行剖面；4）通过长时气动作用下在线轨迹规划与低频密频弹振弱模型依赖控制研究，得到重载运输系统飞行控制的解决方案。

4

实验结果与讨论

4.1

总体设计优化

重载运输系统涉及几何气动结构弹道等多个关键学科，总体设计优化的研究思路为：1)通过多学科多专业迭代得到运输系统初始气动外形;2)采用CST(Classfunction/Shapefunction

Transformation)参数化方法描述运输系统基准外形，实现气动外形参数化建模;3)针对主动段、再入段选取控制节点，通过对控制节点进行轨迹优化，使得运输系统的分离点速度、末端高度、速度以及速度倾角等满足要求，实现60t载荷10000km 运输小时级到达的强约束任务。

优化后的气动特性参数如下表所示。可以看出，在满足航程、航时和运载能力等条件下，优化后的气动性能得到了明显改善。

优化后的气动特性参数结果

4.2

多场域耦合与可靠性评估

针对传统数值方法无法有效考虑流场传热与结构传热之间的耦合效应，只能采用冷壁温及相应转换等冗余方法获得保守载荷的问题，提出了基于智能算法的气动力热结构耦合分析方法。结合传统数值方法和先进智能算法，建立了随弹道递进的多物理场界面更新方法以及耦合分析框架，充分考虑时变壁面传热条件对气动热载荷的影响，获得更接近实际情况的气动热载荷。相较传统冗余方法，本方法初步计算表明气动热载降低10%~20%。该框架主要包括气动力热模块、气动力热智能预测模块、结构数值分析模块、结构智能预测模块和数据交换模块，如下图所示。

气动力热结构耦合分析

跨空天和多速域环境下飞行，运输系统载荷级头部前缘、机翼迎风面等区域的气动加热明显高于其他部位。针对这些典型区域，采用基于二氧化硅气凝胶增强防热瓦设计承载防热一体化结构，如下图所示。防热层采用C/SiC复合材料，隔热层采用二氧化硅气凝胶。

二氧化硅气凝胶增强防热瓦

下图为机翼力热一体化结构拓扑优化设计结果，其中上、中、下依次为承载路径、热输运路径及承载/热输运一体化路径。

力热一体化结构拓扑优化

针对机翼及前缘，提出了面向航班化飞行的交变力热载荷作用下力热一体化结构复用性能与疲劳寿命评估。基于导热层等效和线性累积损伤方法构建了承载/热输运一体化结构复用性能分析模型，完成交变力热载荷下翼结构的复用性能分析，分析温度峰值、应力水平及几何参数等对结构寿命性能的影响规律，如下图所示。

机翼在典型弹道下的损伤分布及重点区域

相比于一次性运载火箭，可复用运输系统载荷与力学环境的激励次数更多，可靠性设计更复杂，但是一次性运载火箭在地面试验和飞行过程中的载荷和力学环境激励试验可用于分析结构性能退化的趋势，对于分析可复用运输系统的寿命和可靠性有一定的借鉴意义。

由于亚轨道重载运输系统的地面和飞行子样少，其可靠性评估研究思路如下：1）建立小子样可靠性先验信息贝叶斯融合模型，实现在小子样条件下有限数据的融合与统计；2）建立小子样可靠性先验信息贝叶斯评估理论，实现单元先验信息概率到系统概率的求解；3）建立基于小子样的先验贝叶斯网络亚轨道远程极速重载运输系统融合的再次发射评估模型，可由相似历史型号的飞行数据可靠性外推估算出重载运输系统的可靠性，如下图所示。

再次发射评估模型

4.3

轨迹规划与控制

针对最速再入需求下滑翔段多约束轨迹在线规划难以快速收敛、末段强气动作用下能量精准管理难题，提出了基于信赖域/更新步长自适应轨迹凸优化方法，以及基于高度剖面和速度解析解的在线能量管理段末端全状态约束轨迹规划方法，实现了再入滑翔段总时间缩短1min以上的同时，最大过载降低40%；末端能量管理段轨迹在线规划时间小于10ms，具备强实时性。

再入制导策略采用滚动时域制导方法，即在每个制导周期内对上一周期规划结果进行跟踪，并对剩余飞行段轨迹进行在线重规划。

重载运输系统高速飞行时，由于级间分离带来的强附加扰动、推进剂消耗导致的结构偏差以及气动参数显著的天地不一致性需要控制系统具备强抗干扰能力与鲁棒性。同时，运输系统跨域高速飞行低频密频气弹耦合参数难以准确估计，加之推进剂时变导致其振动频率呈现显著时变特性，这对控制系统的收敛时间及动态响应特性提出了较高的要求。

为此，针对气弹问题，基于经验模态分解与独立分量分析方法完成弹性振动频率的辨识与分离；构建典型二阶陷波器，进一步设计自适应校正网络过滤弹性振动信号；之后设计了预设时间扩张状态观测器对外部扰动项进行估计和补偿，以提高系统抗扰性能；并基于反正切函数设计预设时间非奇异滑模面；最后利用正弦补偿函数设计非奇异预设时间滑模控制律,从而保证运输系统的预设时间稳定性。

文章结论

亚轨道远程极速重载运输系统充分融合了运载火箭和航空运输系统的设计理念，无论在运载能力还是起降方式上都是全新的探索，其总体设计与制导控制面临独特的科学挑战。针对科学挑战制定了研究思路与研究方法，开展了总体设计优化、多场域耦合与可靠性评估、轨迹规划与控制等3个方面的研究，获得了初步结果，可为未来远程极速运输系统设计提供参考。

>End

本文转载自“宇航总体技术”，原标题《【亮点文章】亚轨道远程极速重载运输系统总体设计与控制技术研究》。

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