一种可重复使用的水平起降二级空天运载器

本发明属于航天航空领域，特别涉及一种可重复使用的水平起降二级空天运载器。

背景技术：

1、空天飞行器（aerospace vehicles，asv）指能够实现空天航行的新型飞行器，该类飞行器融合了航空飞行器和航天飞行器的技术及特点，可以很好地满足未来频繁、可靠、经济的航天运输需求，同时可以在一般航空器难以到达的临近空间飞行。

2、与传统的火箭推进航天器相比，空天飞行器具备以下优势：

3、1、无需垂直发射基地，利用机场即可水平起降，大大减少发射准备时间，具有发射周期短、反应速度快的特点，既能实现未来高频次、大规模的“航班化”航天运输，又能迅速执行紧急任务；

4、2、多采用火箭基组合循环或预冷吸气式循环等推进模式，具有良好的比冲特性和经济特性，有利于提高运载效率；

5、3、同时具备可重复使用性，多采用单级或两级入轨，能大大降低发射成本；

6、4、飞行速度达到高超声速（ma＞5），且飞行包线广，具备强突防能力和生存能力。

7、空天飞行器给航天运载提供极大便利，但与此同时也带来诸多难题。比如，空天飞行器以高超声速飞行，还需再入大气层，同时还要具备较高的可重复使用性，因此在热防护方面面临重大挑战；目前空天飞行器受发动机比冲和结构质量的限制，难以实现单级入轨，而采取两级入轨需要精确设计并优化弹道方案，同时需要解决一级的水平起降和二级的回收问题等。

技术实现思路

1、通过调研目前国内外先进空天运载方案，面向由地面至近地轨道跨域飞行的天地往返应用背景，为了解决上述技术问题，实现空天飞行器的低成本、高运载系数、高灵活性、绿色环保，本发明提供一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，一级结构为可重复使用的带翼亚轨道飞行器，整体为空天飞机构型；二级结构为传统火箭构型。其中一级可实现水平起降，二级采用了海上溅落回收的回收方案，在确保高效运载的同时实现飞行器回收和可重复使用。同时，为验证方案的合理性与可行性，通过弹道仿真与优化模型对结果进行分析和论述。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，包括一级结构和二级结构；所述一级结构为空天飞机构型，用于冲出大气层，将有效载荷和二级结构送入亚轨道；所述二级结构是没有升力面、整体呈对称布局的火箭构型，用于将有效载荷送入预定轨道；所述一级结构包括机头、载荷舱、进气道、一级发动机；所述载荷舱位于机头的中段背部，容纳二级结构和有效载荷；所述进气道位于机腹、机翼的前部，用于减速气流并为一级发动机提供进气；所述一级发动机位于机头的后段腹部、进气道后方，为一级结构的动力飞行段提供推力；所述二级结构包括二级主发动机、充气式防热盾、回收降落伞，用于二级结构再入返回时的热防护并提供浮力，所述回收降落伞用于二级结构的末段减速。

4、进一步地，所述一级结构还包括机翼、可动的鸭翼、垂直尾翼、前部液氢贮箱、后部液氢贮箱、一级液氧贮箱；所述机翼位于机头的两侧中部偏后，所述可动的鸭翼位于机头的两侧、机翼的前部，所述垂直尾翼位于机翼的末端，所述进气道位于机腹、机翼的前部，所述一级液氧贮箱位于载荷舱的两侧，所述前部液氢贮箱位于机头的前段锥体内，后部液氢贮箱位于载荷舱后。

5、进一步地，所述二级结构还包括二级液氧贮箱、液氢贮箱、箱间段、有效载荷接环、姿轨控发动机、ivf系统；所述液氢贮箱在前，二级液氧贮箱在后，通过箱间段连接，为二级主发动机提供推进剂；二级主发动机安装在二级液氧贮箱的中间，所述有效载荷接环连接有效载荷和液氢贮箱，所述姿轨控发动机位于液氧贮箱后部，用于二级结构的姿态与轨道控制，所述充气式防热盾位于有效载荷接环的内侧、有效载荷和液氢贮箱之间，所述回收降落伞位于二级液氧贮箱的后部。

6、进一步地，所述进气道的内侧设有可调斜板，根据飞行马赫数调整，使气流满足一级发动机的进气需求；当一级发动机工作在火箭模态时，进气道的可调斜板将进气道完全封闭。

7、进一步地，所述一级发动机将涡轮、冲压、火箭三种动力循环紧密结合在一起，实现全空域、全速域工作。

8、进一步地，还包括前起落架、主起落架、后起落架，用于支撑位于跑道上的水平起降二级空天运载器。

9、进一步地，所述二级液氧贮箱为环形。

10、进一步地，所述ivf系统为二级结构提供电力，为姿轨控发动机提供气态推进剂，为充气式防热盾提供高压气体，并管理各贮箱中的推进剂。

11、进一步地，一级结构点火后，从跑道水平起飞；在0.9ma时收回可动的鸭翼以减小阻力；在达到6ma时，一级发动机由吸气模态切换为火箭模态；达到90km高度时，一级结构关机，将二级结构和有效载荷从载荷舱中放出；随后二级主发动机点火，将有效载荷送入预定轨道。

12、进一步地，一级结构、二级结构分离后，一级结构经过短暂的弹道滑行再入大气层，通过滑翔减速，并掉头返回起飞时的跑道；二级结构与有效载荷分离后抛弃有效载荷接环，通过二级主发动机制动进入返回弹道，然后展开充气式防热盾再入大气层，经过充分的减速后展开尾部的回收降落伞，最后溅落在海面上，由充气式防热盾提供浮力漂浮在海面上，被回收。

13、与现有技术的方式相比，本发明具有以下至少一种有益效果：

14、1、一级结构和二级结构均可以多次重复使用；

15、2、飞行器的运载系数高；本运载器200kmleo的运载能力为12t，载荷系数达到了5%，高于猎鹰9号的4.15%与国内某型单级入轨运载器的载荷系数3.2%；

16、3、飞行器的灵活性高，一级结构和二级结构均可以单独使用；

17、4、采用液氢液氧作为推进剂，绿色环保。

技术特征：

1.一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，包括一级结构和二级结构；所述一级结构为空天飞机构型，用于冲出大气层，将有效载荷和二级结构送入亚轨道；所述二级结构是没有升力面、整体呈对称布局的火箭构型，用于将有效载荷送入预定轨道；所述一级结构包括机头、载荷舱、进气道、一级发动机；所述载荷舱位于机头的中段背部，容纳二级结构和有效载荷；所述进气道位于机腹、机翼的前部，用于减速气流并为一级发动机提供进气；所述一级发动机位于机头的后段腹部、进气道后方，为一级结构的动力飞行段提供推力；所述二级结构包括二级主发动机、充气式防热盾、回收降落伞，用于二级结构再入返回时的热防护并提供浮力，所述回收降落伞用于二级结构的末段减速。

2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述一级结构还包括机翼、可动的鸭翼、垂直尾翼、前部液氢贮箱、后部液氢贮箱、一级液氧贮箱；所述机翼位于机头的两侧中部偏后，所述可动的鸭翼位于机头的两侧、机翼的前部，所述垂直尾翼位于机翼的末端，所述进气道位于机腹、机翼的前部，所述一级液氧贮箱位于载荷舱的两侧，所述前部液氢贮箱位于机头的前段锥体内，后部液氢贮箱位于载荷舱后。

3.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述二级结构还包括二级液氧贮箱、液氢贮箱、箱间段、有效载荷接环、姿轨控发动机、ivf系统；所述液氢贮箱在前，二级液氧贮箱在后，通过箱间段连接，为二级主发动机提供推进剂；二级主发动机安装在二级液氧贮箱的中间，所述有效载荷接环连接有效载荷和液氢贮箱，所述姿轨控发动机位于液氧贮箱后部，用于二级结构的姿态与轨道控制，所述充气式防热盾位于有效载荷接环的内侧、有效载荷和液氢贮箱之间，所述回收降落伞位于二级液氧贮箱的后部。

4.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述进气道的内侧设有可调斜板，根据飞行马赫数调整，使气流满足一级发动机的进气需求；当一级发动机工作在火箭模态时，进气道的可调斜板将进气道完全封闭。

5.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述一级发动机将涡轮、冲压、火箭三种动力循环紧密结合在一起，实现全空域、全速域工作。

6.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，还包括前起落架、主起落架、后起落架，用于支撑位于跑道上的水平起降二级空天运载器。

7.根据权利要求3所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述二级液氧贮箱为环形。

8.根据权利要求3所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，所述ivf系统为二级结构提供电力，为姿轨控发动机提供气态推进剂，为充气式防热盾提供高压气体，并管理各贮箱中的推进剂。

9.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，一级结构点火后，从跑道水平起飞；在0.9ma时收回可动的鸭翼以减小阻力；在达到6ma时，一级发动机由吸气模态切换为火箭模态；达到90km高度时，一级结构关机，将二级结构和有效载荷从载荷舱中放出；随后二级主发动机点火，将有效载荷送入预定轨道。

10.根据权利要求1所述的一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，其特征在于，一级结构、二级结构分离后，一级结构经过短暂的弹道滑行再入大气层，通过滑翔减速，并掉头返回起飞时的跑道；二级结构与有效载荷分离后抛弃有效载荷接环，通过二级主发动机制动进入返回弹道，然后展开充气式防热盾再入大气层，经过充分的减速后展开尾部的回收降落伞，最后溅落在海面上，由充气式防热盾提供浮力漂浮在海面上，被回收。

技术总结本发明提供一种可重复使用的水平起降二级空天运载器，一级结构为可重复使用的带翼亚轨道飞行器，整体为空天飞机构型；二级结构为传统火箭构型。其中一级可实现水平起降，二级采用了海上溅落回收的回收方案。本发明在确保高效运载的同时实现飞行器回收和可重复使用。技术研发人员：师鹏,王竹瑄,李其玲,高璐,徐晓东,吕鹏飞,李泽坤,佟振宇受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15