先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)

前言

本書源自1999年歐洲空間局提出的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在預(yù)測未來20年中哪種類型的推進(jìn)系統(tǒng)是最具潛力的。歐洲空間局給該計(jì)劃命名為“推進(jìn)計(jì)劃2000”，由菲亞特公司［現(xiàn)在的艾維歐（Avio）］、羅馬大學(xué)機(jī)械與航空系（MDA）、德國航空航天中心（DLR）、法國的歐洲咨詢公司（Euroconsult）、意大利的Centrospazio［現(xiàn)在的奧塔（Alta）］、英國的EDOTEK以及俄羅斯克爾德什（Keldysh）研究中心等機(jī)構(gòu)共同開展研究。2003年2月該計(jì)劃結(jié)束后，有關(guān)該計(jì)劃的研究報(bào)告相繼在美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）和國際宇航聯(lián)合會(huì)議上發(fā)表。2005年底，在征得歐洲空間局同意后，由美國航空航天學(xué)會(huì)將本計(jì)劃的研究工作出版成書。本書共分為17章，每章由一個(gè)或多個(gè)機(jī)構(gòu)的人員合作編寫。書中介紹了一些重要和先進(jìn)的專題，如：先進(jìn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)、綠色推進(jìn)劑、微推進(jìn)系統(tǒng)、太陽能熱推進(jìn)技術(shù)、電推進(jìn)系統(tǒng)、核推進(jìn)技術(shù)、激光推進(jìn)系統(tǒng)、就地資源利用技術(shù)等，這些專題對于從事推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的科研人員具有重要的參考價(jià)值，是推進(jìn)領(lǐng)域非常有價(jià)值的技術(shù)專著。在未來10-20年間，推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展仍主要在運(yùn)載工具方面。從動(dòng)力系統(tǒng)來看，運(yùn)載火箭都采用起飛級和主發(fā)動(dòng)機(jī)兩級或三級結(jié)構(gòu)。液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)常用作起飛級，液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)用作主級和上面級。在實(shí)際航天活動(dòng)中大量應(yīng)用的是中型運(yùn)載工具。其中，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家受美國影響，都采用了固體助推器為起飛級，液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)為主級的模式，如美國的航天飛機(jī)、大力神ⅣB、宇宙神5、德爾它4，法國的阿里安5，日本的H2B等。俄羅斯和中國的運(yùn)載工具大多采用傳統(tǒng)的捆綁液體助推器。俄國的聯(lián)盟號(hào)、質(zhì)子號(hào)、安加拉，中國的長征5，都采用液氧/煤油為起飛級，液氧/液氫為主級的動(dòng)力模式。隨著登月和探索火星活動(dòng)的開展，重型運(yùn)載火箭的研制已提上日程?？煞Q為重型運(yùn)載工具的，只有當(dāng)年美國阿波羅登月計(jì)劃中的土星5火箭和蘇聯(lián)能源號(hào)火箭。土星5的低地球軌道（LEO）有效載荷達(dá)到100t以上，其動(dòng)力系統(tǒng)模式采用以700t級的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)F1為起飛級，100t級的J2液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)為主級的模式。世界航天活動(dòng)的發(fā)展歷史表明，大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)是航天運(yùn)載火箭的主力。美國在液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面領(lǐng)先，率先研制成功土星5火箭的液氧/液氫主發(fā)動(dòng)機(jī)J2和航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）。俄羅斯（蘇聯(lián)）則在液氧/煤油高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面領(lǐng)先，相繼研制成功了150t級的NK33、800t級的RD170和400t級的RD180發(fā)動(dòng)機(jī)，并提出了低地球軌道運(yùn)載能力125t級的阿穆爾重型運(yùn)載火箭方案。近年來，美國、中國、歐洲、印度、日本和韓國相繼引進(jìn)了俄羅斯液氧/煤油高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。中國有關(guān)院所也提出了研制重型運(yùn)載工具大推力運(yùn)載火箭的600t級液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和200t級的液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想。2011年9月14日，美國國家航空航天局宣布了新的航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）方案。它采用航天飛機(jī)技術(shù)和土星5改進(jìn)型方案，即以航天飛機(jī)固體發(fā)動(dòng)機(jī)或AJ26（NK33）液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為起飛級，液氧/液氫為主級的方案。低地球軌道運(yùn)載能力130t。預(yù)計(jì)2025-2030年飛向火星。美國和歐洲自20世紀(jì)60年代起發(fā)展大型分段式固體助推器，應(yīng)用于航天飛機(jī)、大力神34D、阿里安5等型號(hào)。當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)國家的航天運(yùn)載工具大都采用整體式碳纖維殼體固體助推器，如宇宙神5、德爾它4和H2A、B等。它減輕了殼體質(zhì)量，避免了分段式的工藝和技術(shù)問題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因?yàn)閷τ诘孛鏍顟B(tài)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)，可以用提高工作壓強(qiáng)、加大噴管擴(kuò)張比的方法來提高比沖。而這一措施只有采用高強(qiáng)碳纖維殼體才能實(shí)現(xiàn)。這時(shí)不但提高了比沖，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因而得到廣泛應(yīng)用。2012年2月13日，采用三級固體發(fā)動(dòng)機(jī)的織女星運(yùn)載火箭發(fā)射成功。其中，第一級發(fā)動(dòng)機(jī)P80采用了碳纖維復(fù)合材料殼體等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)?？傎|(zhì)量95t，推進(jìn)劑質(zhì)量88t，是當(dāng)前裝藥量最大的碳纖維整體式固體發(fā)動(dòng)機(jī)。以上各項(xiàng)技術(shù)在本書第1章到第7章中有詳細(xì)論述。本書的寫作已有十年，但由于航天技術(shù)的繼承性和連續(xù)性，其內(nèi)容并不老舊。在微推力發(fā)動(dòng)機(jī)方面，其主要應(yīng)用在深空探測方面。例如，核推進(jìn)的魯比亞（Rubbia）發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)能進(jìn)行長時(shí)間飛行的有效推進(jìn)系統(tǒng)，有希望用于火星飛行。當(dāng)前美國重點(diǎn)發(fā)展“超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”計(jì)劃，其中，吸氣式推進(jìn)技術(shù)和超高速遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈（X51A）引人關(guān)注，有興趣的讀者可參考有關(guān)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專著。阮崇智2012年5月

內(nèi)容概要

　　《先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)：從現(xiàn)在到2020年》是歐洲空間局為尋找未來20年最有前途的動(dòng)力技術(shù)，組織多家歐洲航天研究機(jī)構(gòu)歷時(shí)3年進(jìn)行研究所取得的一系列成果匯編。其研究的航天動(dòng)力技術(shù)包括固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、組合動(dòng)力、電推進(jìn)、核推進(jìn)和太陽能推進(jìn)，涵蓋了當(dāng)前人類所能認(rèn)識(shí)的航天動(dòng)力全部技術(shù)，討論了各種動(dòng)力技術(shù)未來發(fā)展方向，同時(shí)就不同航天任務(wù)下采用的動(dòng)力選擇方案進(jìn)行了比較。因此，本書是從事航天動(dòng)力技術(shù)研究人員一本難得的優(yōu)秀參考書。

作者簡介

作者：（意大利）克勞迪奧?布魯諾（Bruno C.） （法國）安東尼奧?G?阿塞圖拉（Accettura A.G.） 譯者：侯曉 等

書籍目錄

第1章　引言
　1.1 推進(jìn)系統(tǒng)概論
　1.2 任務(wù)方案
　1.3 適用性分析矩陣
　1.4 折中分析
　1.5 結(jié)果
　1.6 結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)
第2章　先進(jìn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
　2.1 方案
　2.2 市場需求/預(yù)計(jì)任務(wù)
　2.3 系統(tǒng)分析
　2.4 關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)成熟度
　2.5 預(yù)期研制驗(yàn)證的成本和時(shí)間框架
　2.6 技術(shù)路標(biāo)
第3章　先進(jìn)的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)
　3.1 引言
　3.2 總體方案
　3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能及相關(guān)技術(shù)
　3.4 技術(shù)分析
　3.5 燃燒室技術(shù)總結(jié)
　3.6 其他液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)：低溫貯箱和渦輪泵
　3.7 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分析
　3.8 發(fā)動(dòng)機(jī)水平總結(jié)
第4章　助推器和上面級用先進(jìn)液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
　4.1 方案
　4.2 市場需求與預(yù)計(jì)任務(wù)
　4.3 系統(tǒng)分析
　4.4 設(shè)計(jì)和工作要求
　4.5 關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)成熟度
　4.6 能力
　4.7 預(yù)期研制驗(yàn)證的成本和時(shí)間框架
　4.8 結(jié)論與建議
　4.9 路線圖
第5章　俄羅斯液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
　5.1 俄羅斯運(yùn)載級用液氧/烴液體發(fā)動(dòng)機(jī)
　5.2 俄羅斯上面級用液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
第6章　綠色推進(jìn)劑
　6.1 背景
　6.2 市場需求和計(jì)劃任務(wù)
　6.3 設(shè)計(jì)和操作需求
　6.4 關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)成熟度
　6.5 能力
　6.6 預(yù)期的發(fā)展、驗(yàn)證成本及時(shí)間框架
　6.7 結(jié)論與建議
　6.8 未來的發(fā)展藍(lán)圖
第7章　俄羅斯的綠色推進(jìn)劑
第8章　微推進(jìn)系統(tǒng)
第9章　上面級用太陽能熱推進(jìn)技術(shù)
第10章　電推進(jìn)系統(tǒng)
第11章　超導(dǎo)技術(shù)
第12章　核推進(jìn)技術(shù)：魯比亞發(fā)動(dòng)機(jī)
第13章　可變比沖磁等離子體火箭可行性分析
第14章　激光推進(jìn)系統(tǒng)
第15章　質(zhì)量加速器：磁懸浮和軌道炮
第16章　太陽帆——近中期深空探測用無推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)
第17章　就地資源利用技術(shù)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   迄今為止，第一次嘗試采用復(fù)合材料所獲得的結(jié)論為：基于SiC復(fù)合材料的陶瓷軸承應(yīng)用于未來推進(jìn)系統(tǒng)渦輪泵低溫軸承上，將會(huì)產(chǎn)生很多優(yōu)點(diǎn)，特別是低磨損和低摩擦力，可增加壽命和延長可重復(fù)使用性能，使這些支撐結(jié)構(gòu)真正有效地應(yīng)用于重復(fù)使用運(yùn)載器。 磁性軸承可分為被動(dòng)磁性軸承和主動(dòng)磁性軸承。首先討論被動(dòng)磁性軸承。磁性軸承用磁力保持兩個(gè)相對移動(dòng)的表面間隙，特點(diǎn)是大幅度減小摩擦、磨損和能量損失，并且不需要潤滑作用，因此適合在真空或者極端環(huán)境條件下工作。目前對于被動(dòng)支撐系統(tǒng)中的磁懸浮，制作稀土永久磁鐵可實(shí)現(xiàn)高水平磁場和高矯頑永久磁鐵。被動(dòng)磁性軸承空間應(yīng)用關(guān)注度增加，它們支撐渦輪泵徑向和軸向轉(zhuǎn)子載荷，沒有復(fù)雜的電能供應(yīng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 稀土具有高密度的磁通量和高抗退磁能力；在低溫環(huán)境下也可擁有，當(dāng)在靜止時(shí)可瞬時(shí)解除。 被動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生非常低的力并且性能不穩(wěn)定，因此需要一個(gè)控制系統(tǒng)。實(shí)際上永久磁鐵的組合將導(dǎo)致至少一個(gè)方向上的不穩(wěn)定，無論元件是什么形狀，磁性如何。解決這種缺陷的方法是建立被動(dòng)系統(tǒng)與徑向及軸向系統(tǒng)的耦合，這種途徑下它們給各自的不穩(wěn)定組件提供平衡。為了克服此缺陷，使用超導(dǎo)材料似乎更有吸引力。 和永久磁體相比，超導(dǎo)材料有一個(gè)更高的穩(wěn)定性磁場但是具有較低的負(fù)載能力。低溫超導(dǎo)材料在非常低的溫度下（

編輯推薦

《先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù):從現(xiàn)在到2020年》是航天領(lǐng)域最先進(jìn)的研究機(jī)構(gòu)所取得的一系列研究成果的匯編，科技前沿性強(qiáng)，既有理論知識(shí)，又有具體事例，對科研研究的規(guī)劃和指導(dǎo)具有一定的價(jià)值。

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