运载火箭 设计

5测试与故障诊断计算机测量与控制■ 2021. 29 (6)Computer Measurement & Control文章编号：1671 - 4598(2021)06 - 0005 -04 DOI ：10. 16526/j. cnki. 11 —4762/tp. 2021. 06.002 中图分类号：V556 文献标识码:B运载火箭地面一体化测发控系统设计韩亮，张宏德，彭越(北京宇航系统工程研究所，北京100076)摘要：现役运载火箭各分系统的测发控系统各自独立，存在资源浪费，兼容性差、信息传递低效等问题；随着测控技术发展 和火箭电气系统需求牵引，新一代运载火箭地面测试、发射与控制在通用化、集成化、智能化等方面提出了更高的要求；通过梳 理一体化设计的功能，提出一种运载火箭地面测发控系统的体系架构，整合传统运载火箭控制、测量、总控网等分系统的测发控共性需求，在统一供配电、有线测控、无线调制解调、数据处理与分析4个功能层面进行设计，包括系统组成、交互关系、重要 单机(软件)的设计及其关键技术应用；该设计在某型号完成了原理性试验和关键技术验证，结果表明系统通用性强、集成度高、信息架构合理高效，能够在确保可靠性安全性的情况下，简化操作、提高效率、降低成本。

关键词：一体化；测发控；软件系统Design of Integrated Ground Test Launch and ControlSystem of Launch VehicleHan Liang ，Zhang Hongde ，Peng Yue(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering ，Beijing 100076， China)Abstract : The test launch and control system of active launch vehicle is independent ，there are some problems such as waste ofresources ，poor compatibility and low efficiency of information transmission. With the development of test and control technology andthe requirement of launch vehicles ，the ground test launch and control of new launch vehicles have put forward higher requirements in the aspects of generalization ，integration and intelligentization. By analyzing the function of the integrated design, it puts forward a kind of ground test launch and control system architecture ，effectively integrates the common requirements of subsystems of tradition ­al launch vehicle. The design is carried out at four functional levels such as unity power supply ，cable test and control ，wireless medi-ation ， data process and analysis ， including the design and key technologies of the system composition ， interaction ， important equip ­ment and software. In a certain model , the fundamental and key technology test show that the system has strong universality ，high levelofintegration ，e f icientinformationarchitecture ，itcansimplifyoperation ，improvee f iciencyandreducecostwhileensuringre-liabilityandsafety ．Keywords : integrated ； test launch and control system ； software systemo 引言我国传统运载火箭各分系统各自独立，测发控均使用 单独的地面测试设备，完成箭上系统的供配电、信号激励、状态控制、参数测量等测试、发射控制等功能。

运载火箭的结构火箭是一种用于将人造卫星、航天器及其他空间载具送入太空的运载工具。

它的结构设计和构造是确保它能够顺利地穿越地球大气层、提供足够的推力以及承受极端环境条件的关键。

本文将介绍运载火箭的结构及其各个部分的功能。

一、引言运载火箭是太空探索中不可或缺的工具，它以其强大的推力和可靠的运行性能，实现了人类对太空的探索梦想。

然而，要让火箭能够安全运载重物进入太空，并确保载荷在推力和重力的作用下保持稳定，就需要一个坚固而合理的结构。

二、火箭主体结构1. 肩部段火箭的肩部段位于火箭顶部，它是连接载荷和推进器的关键部分。

它通常包括载荷适配器和上部推进器。

载荷适配器用于将载荷与火箭相连接，并提供所需的电力和通信接口。

上部推进器提供了火箭在引擎熄火后进一步提速的能力。

2. 航天器段航天器段是连接肩部段和下面的助推器的部分。

它包含了航天器的仪器和控制系统，用于控制火箭的姿态、调整飞行轨迹以及向地面发送数据。

航天器段还承受着火箭的重力和推力。

3. 助推器段助推器段是火箭的核心部分，它提供了主要的推力来提升火箭和载荷进入太空。

助推器段通常由一个或多个助推器组成，每个助推器都装有燃料和氧化剂，并搭载了一个或多个发动机。

这些发动机点火后，将产生巨大的推力来推动火箭的上升。

三、火箭结构材料为了保证火箭的强度和耐用性，火箭的结构通常采用轻质高强度材料。

常见的火箭结构材料包括以下几种：1. 铝合金铝合金是一种轻质高强度的金属材料，广泛用于火箭的结构中。

它具有优良的机械性能和耐腐蚀性，能够承受火箭发射时的巨大压力和温度变化。

2. 碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种轻质高强度的复合材料，由碳纤维和环氧树脂组成。

它具有优异的机械性能和导热性能，被广泛应用于火箭的结构中，例如助推器段和航天器段。

3. 钛合金钛合金是一种具有轻质高强度和耐高温性能的金属材料，被广泛应用于火箭的燃料和氧化剂箱体以及其他关键部件的制造。

四、火箭结构的振动控制在火箭发射过程中，振动问题是一个至关重要的考虑因素。

太空探索I【长征八号首飞专题】快速研制一款全新组合型火箭—长征八号火箭的研制理念与技术创新文/任悦鸣▲厂房里的长征八号运载火箭宿东摄8 I SPACE EXPLORATION【长征八号首飞专题】丨太空探索▲长征五号B 运载火箭新一代运载火箭长征八号首飞成 功，与火箭一同腾空而起的除了 5颗 卫星之外，还有各项有待验证的设计思 路和创新技术。

长征八号不负众望，首飞取得圆 满成功，不仅验证了火箭总体方案设计 的准确性，还证实了基于“模块化、系 列化、组合化”研制理念的正确性，以 及在国内首次实践的全箭模态综合技术 的可行性。

这些研制理念和技术的创新实践， 为我国后续新一代运载火箭快速集成、 快速形成能力、降低研制成本，进一步 提升我国运载能力提供了科学依据。

如何用最短时间 研制一款新火箭“长征八号运载火箭工程从立项 研制到首飞成功.仅用时3年多时间， 创造了中国运载火箭研制时间最短的纪 录，这在我国火箭研制历史上是不多见 的。

”长八火箭总设计师宋征宇介绍。

可以说，长八火箭之所以能在较 短时间内研制并首飞成功，正是得益于 “模块化、系列化、组合化”的研制理 念和全箭模态综合技术的运用。

宋征宇用10个字概括了长八火箭 的特点，那便是“跨代融合、有内涵、 轻资产”，在他看来，突破基于模块组 合的快速集成设计，代表了航天技术发 展的趋势，是跨代融合的体现。

长八火箭首飞试验队颠覆传统理 念，打破以往每设计一款火箭就从头出 发的传统思维，火箭设计师们以模块化 组合、产品化选用为原则，充分继承在 役火箭的共用技术和产品，借鉴已有的 试验验证成果，深入贯彻共用产品使用 思想，快速完成研制，践行运载火箭产 业化发展思路，以最小代价、最短时间 完成型号的集成研制。

长八火箭副总设计师吴义田告诉 记者，“模块化”是研制新一代运载火箭时，针对不同轨道和不同运载能力需 求，把成熟的技术和产品继承过来的研 制思路，是研制优化、高效精确的选择。

最强的高校时，对方起初坦言难以胜任。

可以说，长征五号火箭带动了国内复杂结构大偏置力设计、仿真与试验能力的大跨度进步。

大火箭之智
由箭载计算机、传感器、线缆等组成的控制系统，遍布火箭全身，源源不断传输着庞大的数据，并迅速计算出结果，指挥火箭向哪术”为我国新一代运载火箭首创。

为了提供最大推力，液氧煤油
和液氢液氧两种发动机需要被合
理分配，甚至点火时间也有毫秒级
的先后之分，这就需要采用不同的
控制策略。

为此，设计师全球首创
了大推力发动机精准关机技术。

类似的全球首创技术，长征五
号控制系统一共有5项，打造了全
球先进的“火箭大脑”。

看起来，
火箭一点火，“轰隆”一声就飞了。

最高值：0.98。

也正因为这么高的
可靠性，研制团队对高风险的首飞
信心很足。

大火箭之助
液氧煤油发动机和液氢液氧
发动机早就被认可为环保、高效、
受欢迎的两类液体火箭发动机。

半个世纪前出版的《星际航行概
论》中，“中国航天之父”钱学森
就盛赞过它们。

长征五号垂直转运至发射区途中
21
2017.02军事文摘。

运载火箭及总体设计要求概论———运载火箭总体设计(二)一院李福昌余梦伦朱维增文摘概述了运载火箭各阶段总体设计的任务, 介绍了总体方案的设计和总体技术性能参数的确定。

关键词运载火箭阶段设计参数确定方案设计一概述运载火箭总体设计是火箭本身各分系统保证工程开展的支撑性预研课题等。

可行性论证报告作为火箭研制工程是否立项、决策判断的依据。

21 方案设计运载火箭研制任务正式下达并立项批准后, 研制工作进入工程研制阶段, 工程研制阶段的第一步即是方案设计, 总体方案设计的内容主要有以下方面。

①选择及确定主要技术方案: 发射弹道方案、推进剂选择、推进系统类型、火箭外形及主要尺寸、级数及级间连接方式、分离方案、控制方案、结构部位安排、运输和发射方式等。

②选择总体设计参数: 根据任务书规定的运载能力要求及轨道要求, 选取一组最佳的总体设计参数, 从而确定火箭的型式、总质量、推力和几何尺寸等。

③参数计算和分配: 总体原始数据计算、气动设计及计算、弹道设计与计算、载的技术综合, 使火箭的整体性能最优、成本最低、研制周期最短; 对各分系统之间的矛盾、分系统与全系统之间矛盾, 都要从总体性能及总体协调方面的需求来决定取舍。

总体设计的工作内容概括为3 个方面:———选择和确定总体方案及性能参数;———对分系统提出设计要求, 并进行技术协调;———提出地面及飞行试验要求,参加试验, 进行结果分析。

在火箭研制的各个阶段,总体设计的基本内容包括下列方面。

11 可行性论证运载火箭研制的依据是研制任务书,一般应规定9 项技术性能指标作为研制的依据: 运载能力及轨道要求、入轨精度及入轨姿态要求、有效载荷整流罩的净空间( 尺寸) 要求、有效载荷机械及电气接口适应范荷计算、全箭动特性计算、力学环境确定、⑤进行局部方案原理性试验和模样试验: 对某些新技术、新材料和新方案等影响全局的关键项目进行原理性试验及半实物模样试验。

方案设计阶段完成的标志是: 完成方案设计报告、确定运载火箭总体方案、装配出一个1∶1 的部段或全箭的模样火箭、提出地面大型试验项目及飞行试验的要求; 各分系统的关键项目经原理性试验或模样试验的验证, 其性能指标可以实现, 可以确定各分系统的主要性能参数和技术状态, 提出对各分系统的初样设计任务书及可靠性指标。

第４卷　第５期２０２０年９月宇航总体技术Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．４Ｎｏ．５Ｓｅｐ．２０２０空中发射运载火箭弹道优化设计李庆龙，郑亚茹，徐　明（北京航空航天大学宇航学院，北京１００１９１）摘　要：以现有空中发射运载火箭“飞马座”（Ｐｅｇａｓｕｓ）为研究对象，研究了空中发射运载火箭的弹道优化设计方法。

在建立的空中发射运载火箭动力学模型的基础上，考虑空中发射火箭独特气动外形，设计发射全过程的飞行控制模型；给出了使用遗传算法（ＧＡ）筛选弹道优化问题全局最优初值，并交叉运用起作用集算法（ＡＳＭ）与内点法对ＧＡ算法获得的初值二次寻优，从而获得空中发射火箭弹道的分级优化设计方法，另与“飞马座”空中发射运载火箭的弹道数据对比，验证了该分级优化方法相比传统弹道优化设计方法，适用的目标轨道范围广阔，发射位置灵活，能够更大程度挖掘空中发射运载火箭的运载能力。

关键词：空中发射运载火箭；弹道优化设计；分级优化；飞行控制模型　 中图分类号：Ｖ４２１．１文献标识码：Ａ文章编号：２０９６－４０８０（２０２０）０５－０００８－０８Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａｎ　Ａｉｒ－Ｌａｕｎｃｈｅｄ　ＲｏｃｋｅｔＬＩ　Ｑｉｎｇｌｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｙａｒｕ，ＸＵ　Ｍｉｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒ－ｌａｕｎｃｈｅｄ　ｒｏｃｋｅｔ，ｗｈｉｃｈｂｕｉｌｄｓ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒ－ｌａｕｎｃｈｅｄ　ｒｏｃｋｅｔ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｕｎｉｑｕｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ａ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｇｅ－ｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｐｒｅ－ｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｓｅｃｏｎｄ　ｔｉｍｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｓｅｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｉｎｔｅ－ｒｉｏｒ　ｐｏｉｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂａｌｌｉｓｔｉｃ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｅｇａｓｕｓ　ｒｏｃｋｅｔ，ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｉｎ　ｌａｕｎｃｈｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｖｅｒｓ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｉｎ　ｔａｒｇｅｔ　ｏｒｂｉｔ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ　ｐａｙｌｏａｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　ａｉｒ－ｌａｕｎｃｈｅｄ　ｒｏｃｋｅｔ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ－ｌａｕｎｃｈｅｄ　ｒｏｃｋｅｔ；Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ收稿日期：２０１９－１１－１８；修订日期：２０２０－０２－０８基金项目：国家自然科学基金（１１７７２０２４，１１４３２００１）作者简介：李庆龙（１９９６－），男，硕士在读，主要研究方向为航天器动力学。

2021年第2期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.2 2021 总第379期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.379收稿日期：2021-02-25；修回日期：2021-03-03；网络首发时间：2021-03-08；网络首发网址：文章编号：1004-7182(2021)02-0009-08 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20210203长征五号运载火箭分离系统设计与验证技术研究栾 宇1，李 东2，袁水林1，冯韶伟1，黄 兵1（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）摘要：长征五号运载火箭是中国全新自主研制的新一代大型全低温捆绑式运载火箭，作为核心研制内容的分离系统具有分离体尺寸规模大、助推器推力高、级间分离行程长、整流罩刚度低等特点，系统设计难度高、技术跨越大。

长征五号研制针对分离系统在理论研究、设计方法、仿真手段和试验验证等方面开展了大量探索与攻关工作，对其中的技术进展进行了综述与展望。

关键词：新一代大型运载火箭；分离系统；设计与验证 中图分类号：V421.7 文献标识码：AStudy on Design and Validation for Separation System in Development ofLM-5 Launch VehicleLuan Yu 1, Li Dong 2, Yuan Shui-lin 1, Feng Shao-wei 1, Huang Bing 1(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076；2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)Abstract: Long-march 5 (LM-5) is the new generation large launch vehicle of China, and separation system is one of the key components of the development of LM-5. Nevertheless, remarkable characteristics, represented by large geometry scale of separated parts, heavy trust booster, long distance of first stage jettison and low stiffness large-scale payload fairings, challenge conventional strategy and method for Long-march LVs. The breakthrough and achievement on separation system in development of LM-5 are reviewed, which cover theoretical analysis, simulation technology and experiment validation.Key words: LM-5; separation system; design and validation0 引 言长征五号运载火箭（后简称CZ-5火箭）是中国全新自主研制的新一代全低温大型液体运载火箭，采用新一代全低温大推力发动机，以无毒无污染的液氢、液氧和煤油作为推进剂，芯级直径5 m 、助推直径3.35 m ，起飞推力超过1000 t ，近地轨道（Low Earth Orbit ，LEO ）运载能力达25 t 、地球同步转移轨道（Geosynchronous Transfer Orbit ，GTO ）运载能力达14 t ，是中国目前技术最为先进、运载能力最强的运载火箭，是探月工程、深空探测和载人空间站等中国重大航天工程的主要依托，是中国进入航天强国的重要保障和标志[1,2]。

长征五号运载火箭总体方案及关键技术总体方案：长征五号运载火箭采用了两级液体火箭的总体方案，分为核心级与两个助推器。

核心级采用煤油和液氧组合推进剂，助推器采用丙烷和液氧组合推进剂。

整个火箭的总长度约为57米，总质量约为870吨。

其载荷容量为低地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨及近地点轨道8吨。

长征五号运载火箭具有较高的灵活性和适应性，可以满足不同任务需求。

关键技术：1.推进系统：长征五号运载火箭采用了煤油和液氧组合推进剂，丙烷和液氧组合推进剂来提供动力。

煤油和液氧组合推进剂在长征火箭家族中广泛应用，具有成熟的技术基础。

丙烷和液氧组合推进剂则是长征五号运载火箭的创新之处，其采用了独立式低温流体动力学技术和低温烟气动力学技术，能够在不同环境下提供可靠的动力支持。

2.结构设计：长征五号运载火箭采用了模块化的结构设计，核心级和助推器之间通过分离机构连接。

核心级和助推器均采用环形切向分离方式，以实现火箭发射后的分离过程。

这种结构设计能够提高火箭的可靠性和降低制造成本。

3.运载能力：长征五号运载火箭具有较高的运载能力，能够将较大质量的载荷送入太空。

其采用了多级助推的设计，利用液体运载火箭的高比冲推进剂来提高火箭的有效载荷。

此外，采用了新一代的火箭动力系统，能够提供更高的推力和更长的作业时间，进一步提升运载能力。

4.供电系统：长征五号运载火箭采用了先进的供电系统，包括高能量密度的锂离子电池和高效的能量管理系统。

这些技术的应用能够提高火箭的动力性能和供电可靠性。

5.管理系统：长征五号运载火箭配备了先进的管理系统，包括火箭状态监测系统、自适应飞行控制系统和自动导航系统等。

这些系统能够实时监测火箭的运行状态，自动进行飞行控制和导航，提升火箭的操作性能和安全性。

总之，长征五号运载火箭采用了新一代的推进系统、先进的结构设计、高运载能力和先进的管理系统等关键技术，使其具有较高的灵活性、可靠性和适应性。

它的研制和应用将进一步推动中国航天事业的发展。