美國亞軌道可重復(fù)使用空天飛行器驗(yàn)證機(jī)x-33的研制

美國亞軌道可重復(fù)使用空天飛行器驗(yàn)證機(jī)x-33的研制

其他機(jī)構(gòu)參與的項(xiàng)目x-33飛機(jī)是美國宣布的空天飛機(jī)計(jì)劃（nap）之后的飛機(jī)攻擊。NASA、洛馬公司等國家機(jī)構(gòu)和大型軍工企業(yè)都參與了整個(gè)項(xiàng)目。雖然直至項(xiàng)目終止也未能完成飛行器的全部加工與制造工作,但X-33飛行器的研發(fā)過程為后續(xù)的空天飛行器研究工作樹立了可供參考的案例。1x-33計(jì)劃研究的進(jìn)展X-33是一個(gè)大型可重復(fù)使用運(yùn)載器的半尺寸亞軌道驗(yàn)證機(jī)。項(xiàng)目目的在合作合同中最初確定為:1)為全尺寸可重復(fù)使用運(yùn)載器冒險(xiǎn)星降低風(fēng)險(xiǎn),并完成53%比例亞軌道驗(yàn)證機(jī)的研發(fā)與試驗(yàn)工作,如圖1所示;2)通過X-33項(xiàng)目,對相關(guān)設(shè)計(jì)工具和流程進(jìn)行驗(yàn)證;3)驗(yàn)證升力體布局、線性塞式發(fā)動機(jī)一體化、飛行器總體氣動熱特性;4)在真實(shí)飛行環(huán)境下驗(yàn)證可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù),如可重復(fù)使用低溫存儲罐、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、可重復(fù)使用耐久熱防護(hù)系統(tǒng)、先進(jìn)航電系統(tǒng)、自動飛行控制、無毒可靠推進(jìn)劑和類飛機(jī)任務(wù)等。X-33計(jì)劃采用類似火箭發(fā)射的方式起飛,但其飛行和操作都與飛機(jī)相似。其遠(yuǎn)期目標(biāo)為提高飛行器可靠性,并將低地軌道發(fā)射成本降低一個(gè)數(shù)量級,即從22000美元/kg降低至2200美元/kg。盡管試驗(yàn)中一個(gè)低溫存儲罐問題最終導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目終止,但X-33項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過程中仍取得了若干成果,如快速飛行硬件設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)制造與試驗(yàn)、飛行任務(wù)中心與任務(wù)控制中心地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建造、塞式發(fā)動機(jī)研發(fā)與試驗(yàn)、快速環(huán)境影響生命NEPA許可、試驗(yàn)場改建和杜格威、猶他、馬爾默斯特羅姆空軍基地飛行計(jì)劃許可等。X-33項(xiàng)目所誕生的成果對未來十年左右的可重復(fù)使用運(yùn)載器和相關(guān)飛行器都具有啟示作用。2x-33飛機(jī)介紹2.1智慧航天器航電艙介紹X-33采用升力體外形,該外形飛行器具有一定的升阻比優(yōu)勢,如圖2所示。飛行器長21m,寬23m,起飛質(zhì)量129.27t,最大飛行馬赫數(shù)13.8。航電艙位于飛行器下游。兩個(gè)垂直尾翼為飛行器提供航向控制,兩個(gè)襟翼與帶有內(nèi)外升降副翼的機(jī)翼為飛行器提供縱向和橫向控制并輔助航向控制。2.2研發(fā)條件在單臺使用,通過實(shí)驗(yàn)把滑圖3為X-33推進(jìn)系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)布置示意圖,通過將發(fā)動機(jī)與機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)并最小化質(zhì)量,成功避免了局部結(jié)構(gòu)受力的現(xiàn)象。X-33采用兩臺線性塞式發(fā)動機(jī),使用低溫液氫/液氧推進(jìn)劑,海平面比沖340.3s,真空比沖為429.3s,起飛時(shí)推力為1860kN。波音-洛克達(dá)因公司將該發(fā)動機(jī)命名為XRS-2200,如圖4所示。發(fā)動機(jī)具有一系列外部燃燒室噴口,排列于斜面上為飛行器提供推力。此外,渦輪機(jī)排出的氣體也用來產(chǎn)生額外的推力。塞式發(fā)動機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢是可以自動對高度進(jìn)行補(bǔ)償并產(chǎn)生足夠的推力(噴管不會像常規(guī)拉瓦爾噴管一樣過度擴(kuò)張或擴(kuò)張不足)。另一個(gè)優(yōu)勢是采用差動節(jié)流,可以通過發(fā)動機(jī)控制飛行器的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航姿態(tài),大大節(jié)省了作動器、萬向節(jié)等零部件的設(shè)計(jì)與質(zhì)量。渦輪機(jī)組可以在單臺發(fā)動機(jī)失效的情況下為兩側(cè)噴管提供推力。項(xiàng)目研發(fā)過程中成功地對塞式發(fā)動機(jī)進(jìn)行了大量試驗(yàn),包括推進(jìn)器、多單元?jiǎng)恿C(jī)組、單級與串聯(lián)發(fā)動機(jī)測試等。首臺發(fā)動機(jī)于1999年7月運(yùn)抵斯騰尼斯航天中心進(jìn)行試驗(yàn),串聯(lián)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)于2000年12月開始。X-33前部采用一個(gè)多突出部液氧罐,后部采用兩個(gè)多突出部液氫罐,共存儲液氫13.6t,液氧81.6t。X-33的液氧罐由洛馬公司設(shè)計(jì),采用輕質(zhì)鋁鋰合金制造,如圖5所示。第一個(gè)液氧罐主要作為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件,第二個(gè)則作為試飛試驗(yàn)件。其中,結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件于1999年5月在MSFC成功完成試驗(yàn),試飛試驗(yàn)件也由空客A300-600ST運(yùn)抵。液氧罐的設(shè)計(jì)、制造和測試僅歷時(shí)19個(gè)月,完全按照總體進(jìn)度規(guī)劃執(zhí)行。為了減輕X-33飛行器質(zhì)量,機(jī)體大量采用復(fù)合材料制造。其液氫罐也采用了環(huán)氧樹脂基碳纖維材料加工而成,每個(gè)液氫罐質(zhì)量約2100kg,可以存儲-217℃的液態(tài)氫。X-33的液氫罐由阿聯(lián)特公司加工完成。洛馬-阿聯(lián)特聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在洛馬公司位于森尼維爾的大型熱壓罐內(nèi)完成制造。第一個(gè)液氫罐于1999年10月運(yùn)抵洛馬公司臭鼬工廠,第二個(gè)則被送至MSFC進(jìn)行低溫和結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn),并于試驗(yàn)中損壞,如圖6所示。1999年11月,NASA、洛馬聯(lián)合調(diào)查團(tuán)隊(duì)對損壞進(jìn)行調(diào)查后稱,由于復(fù)合材料內(nèi)部和表面的微小裂紋使得液氫罐在試驗(yàn)中損壞。高壓液氫通過裂痕滲入罐體內(nèi)部,導(dǎo)致其外部作為保護(hù)措施存在的氮?dú)獗弧暗蜏乇谩鼻秩牍摅w表面。這一壓強(qiáng)高于復(fù)合材料內(nèi)部壓強(qiáng),最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。2.3tps和afrsi熱防護(hù)層的安裝并進(jìn)行了一個(gè)特定的試驗(yàn)安裝飛行器尖端與前緣采用碳/碳復(fù)合材料。迎風(fēng)面采用1241個(gè)金屬熱防護(hù)板塊,通過古德里希公司設(shè)計(jì)的非接觸支撐與機(jī)體連接,如圖7所示。在1998年9月的組裝過程中,項(xiàng)目還完成了一個(gè)9塊TPS陣列的試安裝工作。當(dāng)時(shí)還完成了TPS板塊的拆除和更換試驗(yàn)。首塊TPS板塊位于機(jī)體前部液氧罐區(qū)域,于1998年10月進(jìn)行安裝。到1999年10月,全機(jī)1241個(gè)板塊共有52%完成加工并運(yùn)抵帕姆代爾的總裝廠。柔性熱防護(hù)層與航天飛機(jī)所使用的相似,布置于加熱速率較低的下游區(qū)域。飛行器還采用了AFRSI與FRSI熱防護(hù)層。NASADFRC于1998年使用F-15B對X-33的TPS板塊、AFRSI和密封進(jìn)行了6次試驗(yàn),如圖7所示。試驗(yàn)過程中測試了高超聲速條件下材料的耐久性。2.4洛馬桑德斯公司的健康監(jiān)測技術(shù)X-33研發(fā)并試驗(yàn)了無毒氧-甲烷系統(tǒng)和直接力控制推進(jìn)器。采用F-16前起落架安裝模式組裝前起落架。NASA與洛馬公司聯(lián)合開發(fā)了健康監(jiān)測程序。洛馬桑德斯公司于1998年11月提交了首批兩套健康監(jiān)測程序,首次飛行器通電測試于1999年12月進(jìn)行。機(jī)體襟翼、垂直尾翼等零部件也完成了研發(fā)并運(yùn)抵帕姆代爾以備組裝。到2000年9月,共有95%的X-33零件完成了加工、測試和運(yùn)輸,全機(jī)75%完成了組裝。2.5x-33點(diǎn)點(diǎn)我國表現(xiàn)X-33飛行器試飛采用階段化方法,其試飛任務(wù)剖面包括兩個(gè)著陸點(diǎn),如圖8所示。針對第一個(gè)著陸點(diǎn)計(jì)劃的三次亞軌道試飛主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷、氣動力/熱、推進(jìn)、操穩(wěn)等特性研究。接下來三次試飛主要驗(yàn)證一周左右的周轉(zhuǎn)時(shí)間;第七次試飛主要用來放寬氣動熱與穩(wěn)定性約束。X-33飛行器初始著陸點(diǎn)為猶他州杜格威的機(jī)場,前7次試飛都將在完成歷時(shí)14min的試飛后著陸于此,期間的動力飛行時(shí)間大約為3min。X-33試飛軌跡從愛德華空軍基地到杜格威的機(jī)場過程中最大馬赫數(shù)11,最大高度50km,航程725km。在對飛行器進(jìn)行性能升級后,還將繼續(xù)進(jìn)行大約8次試飛,試飛著陸點(diǎn)更遠(yuǎn),飛行器發(fā)動機(jī)工作時(shí)間更長,可以達(dá)到更高的飛行高度和亞軌道速度。后8次試飛仍然從愛德華空軍基地起飛,目的地為蒙大拿州馬爾默斯特羅姆空軍基地,總飛行時(shí)間24min,動力飛行時(shí)間3min15s,最大飛行馬赫數(shù)13,最大高度75km,航程1530km。3x-33的指示3.1x-33航天器單級入軌的影響X-33飛行器的研發(fā)工作可以為后續(xù)單級入軌飛行器在結(jié)構(gòu)、氣動、推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)化工作提供參考和借鑒,其潛在客戶載荷需求仍然影響著后續(xù)單級入軌飛行器設(shè)計(jì)。X-33飛行器對單級入軌概念的影響主要包括:1)結(jié)構(gòu)采用均勻熱防護(hù)系統(tǒng)接觸面(UniformTPSInterface),有利于結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工和組裝;2)將AFRSI絕熱范圍從航天飛機(jī)的400℃擴(kuò)展到X-33返回馬爾默斯特羅姆空軍基地時(shí)的427℃,并將AFRSI的絕熱范圍擴(kuò)展到816℃;3)塞式發(fā)動機(jī)布局、發(fā)動機(jī)與機(jī)體傳力路徑設(shè)計(jì);4)任務(wù)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);7)采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu);8)氣動面設(shè)計(jì);9)使用可重復(fù)使用任務(wù)模塊提高地面工作效率和發(fā)射能力。3.2管理結(jié)構(gòu)應(yīng)該靈活X-33項(xiàng)目過程中積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)仍然可以為現(xiàn)在的空天飛行器研制工作提供啟示。X-33的項(xiàng)目目標(biāo)過于激進(jìn),這使得整個(gè)項(xiàng)目都以一種高風(fēng)險(xiǎn)的模式運(yùn)作。事后證明,整個(gè)項(xiàng)目無異于僅憑借有限的經(jīng)費(fèi)和緊迫的時(shí)間完成過多的任務(wù)。事實(shí)上,X-33被賦予了X飛行器(技術(shù)探索)和Y飛行器(成本探索)的雙重身份,但項(xiàng)目實(shí)際上只得到了必要經(jīng)費(fèi)的一半。技術(shù)驗(yàn)證機(jī)往往需要一定的裕度以防出現(xiàn)難以預(yù)料的失敗,如更換不同材料的存儲罐等。項(xiàng)目管理層和股東之間應(yīng)該就技術(shù)和經(jīng)費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)等觀點(diǎn)達(dá)成基本的一致。項(xiàng)目應(yīng)該更為靈活,應(yīng)能夠及時(shí)平衡相互競爭的需求關(guān)系,并關(guān)注各股東的期望目標(biāo)。項(xiàng)目合伙人、分包商應(yīng)承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)商業(yè)運(yùn)營成為項(xiàng)目目標(biāo)的一部分時(shí),應(yīng)該進(jìn)行新產(chǎn)品調(diào)查分析。管理結(jié)構(gòu)應(yīng)該可以靈活改變以應(yīng)對不斷變化的環(huán)境局勢。此外,項(xiàng)目應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵技術(shù),因?yàn)檫^多的技術(shù)研發(fā)工作可能會導(dǎo)致研發(fā)周期、風(fēng)險(xiǎn)的陡增。4