基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法和装置与流程

1.本公开涉及一种火箭发动机判别方法和装置，特别涉及一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法和装置，属于运载火箭总体设计技术领域。


背景技术：

2.随着新材料和新工艺的快速发展，低成本成为航天运输领域近年来发展的主题。美国space-x的猎鹰-9号运载火箭通过一子级的重复使用（已经达到12次），将单位发射成本控制到1.5万元/千克以下，相当于一次性运载火箭发射成本的1/3
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1/5，为实现低成本进入太空提供了可行方案，开启了运载火箭垂直起降的新纪元。基于当前的技术水平和发展趋势，实现运载火箭一子级垂直回收是低成本运输的主要路径。运载火箭一子级的重复使用关键在于液体火箭发动机，因此发展高性能、低成本、高可靠性的重复使用运载火箭发动机势在必行。而我国现行运载火箭发动机都是为一次性发射而设计，面对运载火箭一子级垂直起降回收方案，对现行火箭发动机提出了更高的要求，例如推力变比需求增大、起动次数需求增加、外部力学环境和热环境更加复杂等，如何判定一款发动机是否达到了用于垂直起降运载的重复使用火箭发动机的条件成为制约垂直起降重复使用运载火箭发展的难点。因此，目前迫切需要一套科学合理的重复使用火箭发动机的判别方法，以从发动机自身特点出发判定其是否适用于垂直回收重复使用场景。


技术实现要素：

3.本公开的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了部分或全部解决上述技术问题，提出一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法和装置。
4.本公开的目的是通过以下技术方案实现的。
5.第一方面，本公开提供一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法，包括以下内容：s1，获取需要判别的发动机；s2，依据发动机复用外在特征对所述发动机进行判别，如果不满足复用外在特征，则所述发动机不是重复使用火箭发动机，退出；s3，依据发动机复用内在特征对所述发动机进行判别，如果满足复用内在特征，则所述发动机是重复使用火箭发动机；否则所述发动机不是重复使用火箭发动机。
6.第二方面，本公开提供一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别装置，包括获取模块，外在特征判别模块和内在特征判别模块，其中，获取模块用于获取需要判别的发动机；外在特征判别模块用于对所述发动机进行是否满足发动机复用外在特征的判别；内在特征判别模块用于对满足发动机复用外在特征的所述发动机进行是否满足发动机复用内在特征的判别。
7.第三方面，本公开提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行第一方面任一实施例所述的方法。
8.第四方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时使处理器执行第一方面任一实施例所述的方法。
9.有益效果本公开提供的基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法，能够清晰地判别给定的发动机是否达到了用于垂直起降运载的重复使用火箭发动机的条件，从而进一步指导重复使用火箭发动机能力的生成，促进重复使用运载火箭的发展。
附图说明
10.图1为本公开实施例的基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法流程示意图；图2为无量纲单枚单次火箭全寿命周期费用随单枚火箭发射次数的变化；图3为两种火箭数量下无量纲单枚单次火箭全寿命周期费用随单枚火箭发射次数的变化；图4为推进剂流量、喷管面积比、海平面比冲及推力随过冷度增量的变化示意图；图5为某火箭一级推力随版本的变化示意图；图6为本公开实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
11.以下将结合附图所示的具体实施方式对本公开进行详细描述。但这些实施方式并不限于本公开，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本公开的保护范围内。
12.为对本公开实施例的目的、技术方案和优点进行说明，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述。
13.降低运载火箭即航天运输发射成本，发展我国的重复使用运载火箭已成为业界共识。基于当前的技术水平和发展趋势，实现运载火箭一子级垂直回收、重复使用是低成本运输的主要路径。运载火箭一子级的重复使用关键在于火箭发动机，因此发展高性能、低成本、高可靠性的重复使用运载火箭发动机势在必行。我国现行运载火箭发动机都是为一次性发射而设计，面对运载火箭一子级垂直起降回收方案，对现行火箭发动机提出了更高的要求，例如推力变比需求增大、起动次数需求增加、外部力学环境和热环境更加复杂等，如何判定一款发动机是否达到了用于垂直起降运载的重复使用火箭发动机的条件成为制约垂直起降重复使用运载火箭发展的难点。本公开从运载火箭一子级垂直回收、重复使用角度对重复使用火箭发动机进行判定，进一步通过系统全面的典型特征描述，一方面指导重复使用火箭发动机的研制生产，一方面为重复使用运载火箭遴选重复使用发动机提供了一套便捷的自动化判别方法。
14.如图1所示，本公开提供一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别方法，该方
法包括以下内容：s1，获取需要判别的发动机；s2，依据发动机复用外在特征对所述发动机进行判别，如果不满足复用外在特征，则所述发动机不是重复使用火箭发动机，退出；s3，依据发动机复用内在特征对所述发动机进行判别，如果满足复用内在特征，则所述发动机是重复使用火箭发动机；否则所述发动机不是重复使用火箭发动机。
15.本公开方法结合运载火箭一子级垂直回收、重复使用场景，研究重复使用火箭发动机特点，从复用场景对发动机外在特征和内在特征分别进行判别，只有当给定发动机满足全部特征后才能判别其属于重复使用火箭发动机，可用于运载火箭一子级。外在特征是对火箭发动机功能指标的描述，内在特征是对火箭发动机生产、维护指标的描述。
16.作为一种具体实现方式，发动机复用外在特征包括以下内容：s11，能够重复使用10-30次；s12，单次飞行过程中能够重复起动至少3次；s13，单台发动机推力调节范围下限不小于发动机台数
×
10%；s14，所述发动机与运载火箭箭体接口可活动；s15，所述发动机的推进剂过冷度高于一次性发动机；s16，推力高于一次性发动机。
17.对于s11，能够重复使用10-30次。重复使用火箭决定了发动机应当具备重复使用的能力，其复用次数亦决定了发动机的复用次数。因此，多次使用特征必然是重复使用发动机最直接亦最典型的特征。多次使用的目的是为了降低成本，故具体复用次数应当由成本分析得来。采用文献（可重复使用运载火箭全寿命周期费用分析. 导弹与航天运载技术, 2016, (6): 82-85.和重复使用运载火箭技术进展与展望. 导弹与航天运载技术, 2017, (5): 1-7.）中的计算方法，能够计算得到一子级重复使用运载火箭的全寿命周期成本。图2和图3分别给出了比例系数取上限时（可重复使用运载火箭全寿命周期费用分析. 导弹与航天运载技术, 2016, (6): 82-85.）无量纲单枚单次火箭全寿命周期费用随单枚火箭发射次数的线图和柱状图。可以发现，对于生产10枚火箭而言，当发射次数超过10次时，全寿命周期费用减少超过64.8%；发射次数超过20次时，全寿命周期费用减少超过67.2%；发射次数超过30次时，全寿命周期费用减少超过69.6%，费用下降不再明显，考虑到发动机可靠性随着重复使用次数的增多而下降以及维护成本增加等因素，发动机飞行重复使用次数为10-30次较为合理。
18.对于s12，单次飞行过程中能够重复起动至少4次。研究结果表明，对验证垂直起降相关技术的火箭动力垂直起降飞行器而言，例如dc-x、morpheus、蚱蜢等，当其飞行高度为公里级时，发动机可不关机。而对垂直起降运载火箭而言，为了节省推进剂，其在实际飞行过程中（即一次起降或飞行过程）一般重新点火起动2-3次，故重复使用火箭发动机应具备多次起动的能力。优选为不低于4次。
19.对于s13，单台发动机推力调节范围下限≯发动机台数
×
10%/台。
20.由于垂直起降运载火箭推进剂在飞行过程中消耗量大，导致运载火箭在垂直降落过程中质量变化较大，因此为了实现回收时的六自由度控制，运载火箭推力应当变化。研究表明，垂直起降运载火箭降落时的推力需求大约为起飞推力的1/10。由此可以得到，在火箭
单芯级采用1台发动机时，为了实现回收，其推力变比需要达到10:1，属于深度变推，变化范围大，难度高。为了解决该难题，在单芯级可以采取n台发动机圆心排列的布局方式，降落时只有中心发动机工作，这样就大大降低了对发动机的推力变化需求，从而更容易实现，n台发动机所需的单台发动机推力调节范围下限为n
×
10%。因此，只要发动机推力调节范围下限不低于n
×
10%，即可满足垂直起降运载火箭一子级回收方案。
21.s14，发动机与运载火箭箭体接口可活动。
22.对于垂直起降重复使用运载火箭，发动机无法在箭上维护情况下，运载火箭重复使用要求发动机能够下箭维护或在必要时进行更换，因此为了避免对箭体造成损伤，火箭与发动机的机械接口应当处于可活动的状态，即二者为活动连接，如将现有的焊接连接方式改为螺栓连接，该种连接接口是可拆卸的，便于更换发动机。
23.s15，所述发动机的推进剂过冷度高于一次性发动机。
24.运载火箭一子级重复使用需要消耗更多的推进剂，因此需要携带更多的推进剂量，这会导致推进剂贮箱体积更大。参考文献（重复使用火箭垂直回收任务弹道分析. 导弹与航天运载技术, 2018, (第5期): 21-26，50.）中的数据， 以某型运载火箭的重复使用一子级为对象，考虑一二级分离之后，返回点火50s，再入点火20s，着陆点火30s，其中返回和再入3台发动机工作，着陆1台工作，计算得到一子级一次性、复用及提高推进剂过冷度后复用情况下的液氧贮箱体积，如表1所示。可以看出，复用比一次性使用推进剂质量增加近16.6%。另一方面，不提高过冷度时一级复用比一次性使用贮箱体积增大16.6%，过冷度提高5k时贮箱体积增大14.2%，过冷度提高10k时贮箱体积增大11.9%，说明提高过冷度在减小贮箱体积方面能发挥一定作用。但提升过冷度会增加推进剂成本，而在不提高过冷度时贮箱增大亦会造成火箭结构成本增加、运载能力下降，应当综合考虑两者的单位成本，以分析提升过冷度的综合效益。
25.表1一子级一次性与复用液氧贮箱体积对比*暂不考虑重复使用时一子级做的适应性改进。
26.另一方面，在推进剂体积流量不变的情况下，提高低温推进剂过冷度还能提高质量流量，进一步提高推力。以某型运载火箭一子级为例，假设混合比和喷管出口压力不变，燃料流量随氧流量同步增大，计算得到推进剂流量、喷管面积比、海平面比冲及推力随过冷度增量的变化情况，如图4所示。可以看出，液氧过冷度增大，推进剂流量增加，最大增幅为8.3%，在混合比不变时，可认为室压随推进剂流量增大近似线性增加。在喷管出口压力保持不变（0.682atm）时，室压增大会导致喷管面积比增加，但最大增幅仅仅为6%，进一步导致海平面比冲增加，但增幅仅有0.6%。最终流量和比冲均增大导致推力增加，但主要来源为推进剂流量的增大。
27.s16，推力高于一次性发动机。
28.由于回收需要消耗更多的推进剂，火箭贮箱和箭体结构和携带推进剂质量均增加，另外需要增加额外的回收和着陆装置，因此适当挖掘一级发动机推力，使其高于一次性使用发动机，可弥补火箭质量增加带来的运载能力损失（原场返回损失近40%，非原场返回损失近20%）。研究表明，为了实现火箭重复使用，某型运载火箭一直在进行推力挖掘，如图5所示。可以发现，merlin-1d发动机的推力从最初版本到最终版本提升了近100%。
29.上述示例结合运载火箭一子级垂直回收、重复使用应用场景，对重复使用火箭发动机满足场景使用需求的功能指标进行了描述，这些典型特征系统全面的阐述了重复使用发动机的功能要求。
30.作为一种具体的实现方式，发动机复用内在特征包括：具备结构轻质化特征、采用可重复使用的元件或组件制成、便于维护。
31.s21，具备结构轻质化特征。
32.运载火箭重复使用会增加火箭重量，因此重复使用另一内涵则为轻质化，以弥补重量增加带来的运载能力损失。轻质化主要有三层含义，一是采用轻质材料，二是开展参数优化，减轻结构质量，三是采用新型制造技术。
33.针对轻质材料研究，3.35m直径贮箱采用铝锂合金后，相比国际主流铝铜合金，结构减重15%以上；采用复合材料后，减重超30%，且使火箭综合成本降低25%以上。
34.针对参数优化的研究结果表明，采用朱森元院士给出的推力室经验估算模型（氢氧火箭发动机及其低温技术. 中国宇航出版社, 2016.），在推力和喷管面积比不变时，室压从10mpa增加到15mpa时，推力室质量减轻5.9%。对于电动泵压式发动机而言，电池质量占比较大。依据文献中计算模型（system scheme design for lox/lch4 variable thrust liquid rocket engines using motor pump. acta astronautica, 2020, 171: 139-150.），当功率密度主导电池质量时，锂聚合物电池质量是锂硫电池的1/5；当能量密度主导电池质量时，锂硫电池质量是锂聚合物电池的37%。
35.针对新型制造技术研究，采用增材制造技术，例如3d打印，能够制造薄壁、紧凑的结构件，将常规制造结构小型化，进而实现减重目的。研究结果表明，通过3d打印技术，能够将航空用板翅式换热器的体积及重量降低20%。另一方面，3d打印能够将连续纤维符合材料应用于复杂构型结构，从而间接实现减重。
36.对于重复使用火箭发动机而言，采用上述任一种方法，即具备轻质化特征，即发动机采用如下至少一种技术制造：轻质材料、通过参数优化减轻结构质量或新型制造技术s22，采用可重复使用的元件或组件制成。
37.火箭发动机重复使用要求发动机组件/元件亦能重复使用，因此应淘汰发动机中的一次性组件或元件，例如火药点火器、烧蚀热防护材料等，以满足重复使用的内在要求；尽量减少不适于多次使用的元件，例如化学点火装置、富氧燃气发生器等。
38.s23，便于维护。
39.对于重复使用火箭发动机而言，便于维护是应有之义。便于维护应当有三层含义，一是维修时间短，不高于预设时长阈值t，如48小时；二是维修成本低，不高于预设成本阈值m，如25万；三是维修难度小，不高于预设人时阈值k（即维修一次需要人数*小时=k人时），如200人时。研究数据表明，由于维护时间长，航天飞机一年最多发射9次，远达不到年均50次的目标；由于维护成本高，航天飞机每次发射费用高达4-5亿美元，远高于最初设定的3000
万美元；由于航天飞机具有上千个分系统和上百万个零件，维修难度大，例如防热系统共有31000多块防热瓦，每次飞行后约需要更换50块防热瓦，但是全部防热瓦在飞行后都要进行检修。
40.本公开提出的重复使用火箭发动机判别方法从运载火箭一子级垂直回收、重复使用角度对可复用的火箭发动机外在特征和内在特征进行判定，符合现实使用要求，能够达到发动机是否可复用，是否能够用于垂直起降运载火箭甄别目的；进一步通过构建系统全面的典型特征描述对火箭发动机进行判定，一方面指导重复使用火箭发动机的研制生产，一方面为垂直起降重复使用运载火箭遴选重复使用发动机提供了一套易于自动化实现的判别方法。
41.本公开还提供了一种基于典型特征的重复使用火箭发动机判别装置，包括获取模块，外在特征判别模块和内在特征判别模块，其中，获取模块用于获取需要判别的发动机；外在特征判别模块用于对所述发动机进行是否满足发动机复用外在特征的判别；内在特征判别模块用于对满足发动机复用外在特征的所述发动机进行是否满足发动机复用内在特征的判别。
42.可选的，发动机复用外在特征包括：s11，能够重复使用10-30次；s12，单次飞行过程中能够重复起动至少3次；s13，单台发动机推力调节范围下限不小于发动机台数
×
10%；s14，所述发动机与运载火箭箭体接口可活动；s15，所述发动机的推进剂过冷度高于一次性发动机；s16，推力高于一次性发动机。
43.可选的，发动机复用内在特征包括：具备结构轻质化特征、采用可重复使用的元件或组件制成、便于维护。
44.对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
45.图6为本公开实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该设备可以执行上述方法实施例提供的处理流程，如图6所示，电子设备110包括：存储器111、处理器112、计算机程序和通讯接口113；其中，计算机程序存储在存储器111中，并被配置为由处理器112执行如上所述的方法。
46.另外，本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述实施例所述的方法。本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
47.为了说明本公开的内容及实施方式，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本公开所述内容。本领域的技术人员应理解：虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立
的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。并且在不脱离本公开及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本公开不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。