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“天行Ⅰ-1”首飛側記

2019-4-23 21:14| 來源: 凌空天行 | 查看: 3482| 責編: 潛艇4809

摘要:   凌空天行研制的“天行Ⅰ-1”像是一枚“裝上了翅膀”的火箭,用火箭發動機提供起飛階段的升空動力,逐漸轉為平飛狀態,可加速到5馬赫的高超聲速狀態,利用機翼在稀薄大氣獲得足夠的升力保持穩定飛行。
一、“裝上了翅膀”的火箭
  提起航天,大家自然都會聯想到發射衛星和各種外太空探索任務。談及最近火熱的民營航天,包括先驅者美國SpaceX公司,以及國內雨后春筍般的十幾家企業,大多都以發射衛星為主要業務模式。而我們今天將會了解一家十分特別的民營航天企業——北京凌空天行科技有限責任公司(以下簡稱凌空天行)。他們成功研制并發射了一款獨特的可回收火箭,將業務范圍從航天運載拓展到了更為廣闊的領域。
  凌空天行此次發射的“天行Ⅰ-1”,看起來就像是一枚“裝上了翅膀”的火箭,它用火箭發動機提供起飛階段的升空動力,進入大氣層邊緣后逐漸轉為平飛狀態,可繼續加速到5馬赫的高超聲速狀態,利用機翼在稀薄大氣獲得足夠的升力保持穩定飛行。
 
天行Ⅰ-1火箭概念圖
 
總裝車間里整裝待發的“天行Ⅰ-1”火箭
二、火箭新的應用領域探索
  天行Ⅰ-1的應用首先瞄準了空天科學技術試驗這一空白領域。特別是臨近空間區域,不僅是未來重要的飛行走廊,也是往返進出太空的必經之地,但人們對它的認識還剛剛起步,探索其中的科學奧秘需要開展大量的飛行試驗。天行系列可在臨近空間自由飛行,為開展科學研究、新技術驗證、環境測試提供一個高速試驗平臺。
 
“天行Ⅰ-1”結構分解圖
  2019年4月23日,凌空天行研制的“天行Ⅰ-1”火箭完成首次飛行試驗,圓滿完成試驗載荷任務。該火箭長度8.7m,總重3700kg,全程亞軌道飛行,最大飛行速度3.53馬赫。
  此次飛行試驗充分體現了凌空天行的火箭總體設計能力,還驗證了包括地面無線測發控、低成本電氣系統等在內的多項關鍵技術,同時還為廈門大學和西安電子科技大學的科學試驗提供了“飛行風洞”試驗服務,獲得了準確和豐富的飛行數據。
  廈門大學基于“天行Ⅰ-1”火箭平臺,與凌空天行公司共同研制了“嘉庚一號”試驗運載火箭。火箭頭部安裝了廈門大學的試驗模型,對他們設計的一款新型發動機核心部件進行了高速空氣動力學試驗。
 
安裝于頭部的廈門大學空氣動力學試驗模型
  西安電子科技大學利用此次發射同時開展了臨近空間科學觀測實驗和多項新技術驗證試驗。他們在“天行Ⅰ-1”內安裝了兩部高能粒子探測器,對能夠穿透倉壁進入飛行器內部的多種高能粒子進行統計。這些探測器將長期安裝在天行系列飛行器上,在后續的多次飛行中,逐漸累積臨近空間不同高度的測量數據,將會對未來空天飛機的電子系統可靠性設計、人身安全劑量評估提供十分有價值的參考。
  西安電子科技大學還搭載了10部新技術驗證載荷。其中包括新型的一體化無線高清攝像系統,將傳統的高清攝像機、圖像壓縮器、無線傳輸等三部單機集成化,體積縮小了十幾倍,功耗降低至3-5瓦;并作為“天行Ⅰ-1”的主攝像機,完整拍攝了掠過大氣層邊緣的全過程。他們還開展了艙內UWB無纜化信息傳輸技術的體系化驗證,同時驗證了伺服控制回路、圖像數據流、多點傳感器網絡的高實時性無纜化傳輸技術。
 
西安電子科技大學新技術驗證載荷 上:UWB艙內無纜化信息傳輸系統;中:一體化高清攝像機;下:粒子探測器
  天行系列的后續型號還將具備多級動力,第一級突破大氣層邊緣后,第二級分離點火進入太空,提供衛星入軌發射服務。通過航空與航天技術的完美結合,提供從大氣層到外太空全空域的飛行能力,不僅可用于提供衛星發射等常規運載服務,還可以提供空天科學試驗、太空觀光旅行、以及高速的點對點運輸及客運服務。
   “天行Ⅰ-1”不僅僅克服了技術上的挑戰,還在于業務模式和服務理念的創新。“天行Ⅰ-1”以便捷高效的模式,把空天飛行試驗變為一種標準化服務。天行1號的使命,就是為推動科學技術和航天技術進步,提供強有力的“助推器”。成為高校、科研院所、企業的飛行試驗服務平臺。 
  廈門大學航空航天學院尤延鋮教授談到,高速空氣動力學試驗的周期是一直困擾著我們的頭疼的事。特別是少數幾個高速風洞都要優先保障服務國家重大型號工程,高校科學研究排隊時間可能長達一年以上,而且可提供的試驗狀態有限。這次選擇天行1號進行飛行試驗,從提出意向到確定方案、再到發射,總共只用了四個月的周期。而且這次飛行獲得數據質量、數量和完整性都很好,試驗完的模型也能回收進一步分析,測量分析設備還可以重復使用,性價比很高。這對我們空氣動力學領域來說,是一件非常有價值的事。
  西安電子科技大學空間科學與技術學院謝楷教授在提起這次搭載時說:以如此方便快捷的方式購買航天試飛服務,這是過去難以想象的事情。他說,科研本身就是一個高風險的領域,過去航天發射的代價極為高昂,追求“萬無一失”其實在某種意義上讓技術進步變得謹小慎微。而可重用飛行器的出現將新技術實驗和試錯的代價降低到一個普通課題組都可以承受的范圍,這讓科研人員敢放開手腳去嘗試,將極大地促進創新邁進的步伐。
  他還提到,不同于傳統航天的型號任務主導模式,商業航天公司提供了全套的發射和數據遙測服務,而且盡力滿足我們開展研究所需的外部條件,讓科研人員實現自己主導科學實驗任務。例如我們在論證未來載人空天飛機的過程中,懷疑大氣層邊緣一些殘余的宇宙射線和高能粒子可能對人體有害,可能需要一定的防護措施。但這段空域在國際上實測數據也十分稀少,那就可以自己試制一臺探測器去實際測量一下,就和我們去實驗室做個測試一樣方便平常,這是過去簡直不敢想象的事情。
三、太空旅行不是夢
  天行系列火箭將來會是一個系列化的飛行平臺,提供從科學試驗到運載入軌等多種航天服務。
  當其面向空天科學試驗時,可作為獨立的運載器,實現可往返的亞軌道飛行,相比傳統單次使用模式,最終可將發射成本降為十分之一以內。
  在天行I號的基礎上配裝二級入軌火箭,可用于小衛星組網和補網的發射。其成熟的一級回收、重復使用技術,將來可在小衛星發射市場中占據成本優勢。
  可重復使用技術未來可能會催生新的廉價太空旅游產業。放眼未來,將整個地球村納入1小時商圈范圍,以讀者們都可以買得起的票價,提供亞軌道飛行、太空旅游和全球快速運載服務,也是公司未來的發展愿景和終極夢想。

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