Introducción a los aviones de verificación reutilizables de despegue y aterrizaje vertical
El 16 de julio de 1969, el Apolo aterrizó en la Luna, marcando el exitoso dominio de la humanidad en la tecnología de despegue y aterrizaje vertical en la Luna.
A finales del siglo XX, con el aumento gradual de las misiones de lanzamiento espacial, la reducción de los costos de lanzamiento se ha convertido en una de las direcciones de desarrollo de los vehículos de lanzamiento. El reciclaje de cohetes y lograr múltiples usos con un solo cohete es una cuestión importante. manera de reducir significativamente los costos de lanzamiento.
La tecnología de puesta en órbita de cohetes de una sola etapa propuesta en la década de 1990 es el prototipo de la tecnología de reutilización de cohetes. Los prototipos de tecnología de reutilización incluyen despegue vertical-aterrizaje vertical (VTVL), despegue vertical-aterrizaje horizontal (VTHL) y despegue horizontal-aterrizaje horizontal (HTHL) [1]. Los transbordadores espaciales diseñados por Estados Unidos y la Unión Soviética alcanzaron el VTHL, pero sus elevados costes de I+D, fabricación y mantenimiento no lograron la reducción esperada en los costes de lanzamiento. Hasta el 22 de diciembre de 2015, la empresa estadounidense SpaceX recuperó con éxito la etapa propulsora del cohete Falcon 9 y logró el objetivo de reducir los costos de lanzamiento reutilizando la etapa propulsora.
Para mejorar la competitividad de los vehículos de lanzamiento en el mercado internacional de lanzamiento espacial comercial, las agencias y empresas espaciales de varios países están realizando activamente investigaciones sobre tecnologías clave de aterrizaje vertical. Este artículo presentará brevemente los vehículos de lanzamiento de verificación de despegue y aterrizaje vertical desarrollados por varios países y su estado de verificación técnica.
Delta Clipper Experimental (DC-X)
Delta Clipper Experimental (DC-X) es un avión desarrollado por McDonnell Douglas. Tiene 12 metros de altura y un diámetro inferior de 4,1. metros y pesa 18.900 kilogramos, el empuje lo proporcionan 4 motores RL-10A-5 de hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Los motores proporcionan empuje, cada motor tiene un empuje de 60 kN y un rango de ajuste de empuje del 30% al 100%. Es el primer avión reutilizable de despegue y aterrizaje vertical propulsado por cohetes [2]. Desde la primera prueba exitosa del DC-X el 18 de agosto de 1993 hasta julio de 1996, realizó 12 pruebas de vuelo, con una altitud máxima de vuelo de 2.500 metros. Los resultados de la investigación de este proyecto han sentado una base sólida para la reutilización de vehículos de lanzamiento y el aterrizaje en punto fijo en Marte.
Obtuvo el primer lugar en el Lunar Lander Challenge organizado por la NASA, con una precisión de aterrizaje de 16 cm[3]. Como avión del banco de pruebas de vuelo propulsado por ascenso y descenso autónomo (ADAPT) de la NASA, completamos la verificación de la Guía para grandes desvíos de combustible óptimo (G-FOLOLT). Grassass (G-FOLOLT), G-FOLD) e implementó con éxito la planificación de trayectoria en línea de la sección dinámica de aterrizaje suave basada en el algoritmo de optimización convexa [4].
Grasshopper
SpaceX diseñó el avión Grasshopper como una plataforma de verificación de tecnología de guía y control para la sección de aterrizaje suave de potencia de recuperación de la etapa de refuerzo del Falcon 9 [5]. Desde septiembre de 2012 hasta octubre de 2013, *** realizó 8 pruebas de vuelo a una altitud máxima de 744 metros, centrándose en verificar la tecnología de aterrizaje con una gran relación empuje-peso, la tecnología de estabilidad bajo interferencia del viento, el sistema de navegación de aterrizaje preciso y las capacidades de maniobra lateral y otras tecnologías de guiado y control.
EAGLE
EAGLE (Centro Aeroespacial Alemán) es una plataforma de vuelo desarrollada por el Centro Aeroespacial Alemán para verificar la tecnología de despegue y aterrizaje vertical. La plataforma voladora está propulsada por un motor turborreactor de empuje de 400 N capaz de acelerar profundamente. Verificó la tecnología de guía y control de actitud a baja altitud y baja velocidad (0,5-1,2 metros) [6]. Posteriormente se desarrollará el vehículo de lanzamiento EAGLXL y el motor cohete monocomponente con un empuje de 1.500 N para crear las condiciones para la verificación de la tecnología de planificación de trayectorias en línea.
FROG
Reconociendo que el control de guía de navegación (GNC) es una de las tecnologías más desafiantes para el aterrizaje vertical, la Agencia Espacial Francesa (Centro Nacional Francés de Investigación Espacial) ha desarrollado dos Dos Aviones de bajo coste: FROG-T basado en un motor turborreactor de empuje de 400N y FROG-T basado en un motor H2O2 de empuje de 1000N FROG-H. Al diseñar las reglas de control de actitud de cabeceo, guiñada y balanceo basadas en PID y control óptimo (LQG) y realizar pruebas de vuelo de suspensión, se verificaron el sistema de soporte en tierra, así como la plataforma de hardware, el sistema electrónico y el software integrado [7]. También proporciona una plataforma de vuelo de verificación de bajo costo para que estudiantes e instituciones de investigación realicen la verificación de algoritmos.
RV-X
La Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) desarrolló el avión RV-X para verificar la tecnología de control y guía de aterrizaje vertical. El avión tiene una altura de 7 metros, una altura de 7 metros. de 1,8 metros de diámetro y un peso de 2900 kg, utilizando motor de hidrógeno líquido y oxígeno líquido (LHLO). En 2018, realizó una prueba de vuelo de despegue y aterrizaje vertical a una altitud de 100 metros.
CALLISTO
CALLISTO es una plataforma de vuelo de verificación reutilizable desarrollada conjuntamente por CNES, DRL y JAXA. Está previsto realizar pruebas de vuelo en 2020[8]. Utiliza un motor reutilizable de hidrógeno líquido y oxígeno líquido desarrollado por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, con un empuje nominal de 40 kilonewtons, un perfil de misión máximo de 50 kilómetros y una velocidad máxima de Mach 5. A través de CALLISTO, se verificaron completamente las tecnologías clave de la sección de desaceleración aerodinámica y la sección de aterrizaje suave de potencia durante el proceso de aterrizaje vertical, así como el trabajo de verificación de componentes clave como el timón de rejilla, el sistema de control y fuerza de reacción (RCS), el aterrizaje. patas y motor principal, sentando las bases de la nueva generación de El cohete reutilizable Ariane 6 proporciona soporte técnico.
"Grasshopper"
El vehículo de lanzamiento "Grasshopper" es un prototipo de vehículo de prueba desarrollado por SpaceX para el "Starship" y está propulsado por un motor "Raptor" con un empuje de 200 montones. El avión completó su primer salto en paracaídas atado el 3 de abril de 2019; completó una prueba de vuelo a una altitud de 18 metros el 25 de julio y completó su última prueba de despegue y aterrizaje vertical el 27 de agosto, con una altitud de vuelo de aproximadamente; 150 metros y un desplazamiento horizontal de unos 200 metros.
RLV-T5
Zhongling Aerospace ha desarrollado un motor cohete de alcohol y oxígeno líquido con un empuje de 3 kN, y ha desarrollado sucesivamente el RLV-T3 de tres motores en paralelo y el de cinco motores. motor paralelo RLV: el avión T5 ha realizado múltiples pruebas de vuelo de despegue, vuelo estacionario y aterrizaje a baja altitud y completó una prueba de despegue y aterrizaje vertical de 300 metros el 10 de agosto de 2019. El algoritmo de control de la red neuronal de predicción de estado se utiliza para realizar el control de altura, velocidad y actitud durante el despegue y aterrizaje vertical [9].
Vehículo de lanzamiento "Peacock"
El Laboratorio Estatal Clave de Tecnología de Control Inteligente Aeroespacial de China desarrolló el vehículo de lanzamiento "Peacock" y llevó a cabo investigaciones sobre la tecnología de control y guía de recuperación vertical de vehículos de lanzamiento. Para el aterrizaje suave motorizado en el último momento del proceso de retorno del cohete, se llevó a cabo una investigación sobre tecnologías clave como la planificación de trayectoria en línea, la navegación relativa de alta precisión y el control de orientación, y se llevó a cabo una prueba de vuelo de campo el 9 de diciembre de 2018. , que tuvo éxito.
CZ-2C
Teniendo en cuenta que el cohete necesita entrar en la densa atmósfera a una velocidad relativamente alta durante el proceso de retorno, utilizar la aerodinámica para controlar el cohete para alcanzar el área de aterrizaje objetivo es una forma eficaz de ahorrar combustible. Al mismo tiempo, considerando la capacidad limitada de la sección de aterrizaje motorizada para ajustar el punto de aterrizaje del cohete en un corto período de tiempo, el cohete debe haber alcanzado el punto de aterrizaje antes de que se encienda el motor. Por lo tanto, bajo la premisa de garantizar la estabilidad de la actitud del cohete, es clave utilizar el timón de rejilla para controlar la dirección aerodinámica, mejorando así la precisión del control de posición y al mismo tiempo cumpliendo con las limitaciones de seguridad como el flujo de calor, la sobrecarga y la presión dinámica durante el reingreso. tecnología para lograr una recuperación segura de cohetes. El 26 de julio de 2019, los restos de una determinada subetapa del cohete Gran Marcha 2C, gestionado por la Academia China de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento, fueron descubiertos con éxito en la prefectura autónoma de Qiannan Buyi y Miao, Guizhou, y se encontraban dentro del territorio estableció el área de aterrizaje, lo que marcó que la primera prueba de "tecnología de control de seguridad de la zona de aterrizaje del separador del timón de rejilla" del vehículo de lanzamiento de mi país fue exitosa.