空中发射运载火箭技术

　　本书介绍了国外空中发射飞行器的发展情况、空中发射运载火箭的特点，着重对空中发射运载火箭面临的环境进行了讨论，系统论述了空射运载火箭的总体，以及气动、控制系统、载荷环境和结构设计应关注的主要问题，提出了将地面实物试验和仿真试验统一纳入总体研制策划的思路，井对研制流程和风险控制提出了建议。本书是对国内外空中发射运载火箭研究经验和成果的归纳总结，也包含了个人的感想及体会，希望能为未来空中发射运载火箭的研制提供借鉴。

　　杨小龙，研究员，2002年入职中国运载火箭技术研究院研发中心，现任某型号总设计师，曾获国防科学技术进步奖特等奖、一等奖。

目录
第1章绪论…………………………………………………………………………………… 1 
1.1 为什么要空中发射运载火箭………………………………………………………… 1 
1.2 国外空中发射运载火箭发展情况…………………………………………………… 3 
1.3 空中发射运载火箭的特点…………………………………………………………… 10 
1.4 本书主要内容………………………………………………………………………… 10 
参考文献…………………………………………………………………………………… 11 
第2章空中发射面临环境………………………………………………………………… 13 
2.1 外部大气环境………………………………………………………………………… 13 
2.1.1 标准大气和参考大气…………………………………………………………… 13 
2.1.2 气候极值………………………………………………………………………… 16 
2.1.3 可能的实际环境………………………………………………………………… 18 
 
2.2 电磁环境……………………………………………………………………………… 28 
2.2.1 电磁兼容性要求………………………………………………………………… 28 
2.2.2 静电环境………………………………………………………………………… 28 
2.2.3 雷电环境………………………………………………………………………… 29 
 
2.3 载荷和力学环境……………………………………………………………………… 33 
2.3.1 使用剖面………………………………………………………………………… 33 
2.3.2 挂机飞行的载荷………………………………………………………………… 35 
2.3.3 疲劳载荷………………………………………………………………………… 38 
2.3.4 挂机飞行的力学环境…………………………………………………………… 39 
 
参考文献…………………………………………………………………………………… 40 
第3章载机约束下总体设计……………………………………………………………… 41 
3.1 载机挂载约束………………………………………………………………………… 41 
3.1.1 组合体质量、质心设计………………………………………………………… 41 
3.1.2 几何相容性……………………………………………………………………… 42 
3.1.3 机箭接口………………………………………………………………………… 43 
3.1.4 关于带飞时间和反复起降次数………………………………………………… 44 
3.2 火箭总体规模………………………………………………………………………… 49 
3.2.1 火箭级数的选择………………………………………………………………… 49 
3.2.2 火箭直径的选择………………………………………………………………… 51 
3.2.3 飞行弹道的定性讨论…………………………………………………………… 52 
 
3.3 投放分离和安全性…………………………………………………………………… 54 
3.3.1 分离设计六要素………………………………………………………………… 54 
3.3.2 时序设计和起控条件…………………………………………………………… 55 
3.4 一级飞行关注的问题………………………………………………………………… 61 
3.4.1 一级大攻角拉起带来的法向过载影响………………………………………… 61 
3.4.2 一级飞行尾部的力热环境及影响……………………………………………… 67 
 
3.5 气动弹性问题………………………………………………………………………… 71 
3.5.1 静气动弹性问题………………………………………………………………… 72 
3.5.2 动气动弹性问题………………………………………………………………… 72 
 
3.6 电磁兼容性…………………………………………………………………………… 76 
3.6.1 电磁兼容性设计和试验………………………………………………………… 76 
3.6.2 系统级电磁兼容性量化设计…………………………………………………… 76 
3.6.3 火箭的雷电防护………………………………………………………………… 78 
 
3.7 疲劳强度设计………………………………………………………………………… 82 
3.7.1 疲劳强度设计方法……………………………………………………………… 84 
3.7.2 抗疲劳设计和疲劳载荷谱……………………………………………………… 87 
参考文献…………………………………………………………………………………… 88 
第4章气动布局及控制技术……………………………………………………………… 90 
4.1 参考坐标系…………………………………………………………………………… 90 
4.2 发射条件……………………………………………………………………………… 91 
4.3 初始对准……………………………………………………………………………… 93 
4.3.1 初始对准方法…………………………………………………………………… 93 
4.3.2 传递对准方案…………………………………………………………………… 94 
 
4.4 气动布局及控制……………………………………………………………………… 97 
4.5 不确定性条件下的控制系统设计………………………………………………… 102 
4.5.1 不确定性描述和分析………………………………………………………… 103 
4.5.2 经典的控制系统设计………………………………………………………… 106 
4.5.3 现代鲁棒设计方法…………………………………………………………… 109 
4.5.4 基于概率的设计方法………………………………………………………… 111 
 
4.6 空气舵系统设计的几个关注点…………………………………………………… 113 
4.6.1 空气舵伺服系统动特性……………………………………………………… 114 
4.6.2 舵面“两心两线”的关系…………………………………………………… 115 
4.6.3 对舵面反操纵的再认识……………………………………………………… 115 
 
4.7 故障情况下的处理………………………………………………………………… 121 
4.7.1 姿控喷管故障示例…………………………………………………………… 121 
4.7.2 推力异常情况下的轨迹重新规划…………………………………………… 129 
 
参考文献…………………………………………………………………………………… 129 
第5章挂机载荷环境和结构设计………………………………………………………… 132 
5.1 挂机载荷…………………………………………………………………………… 132 
5.1.1 挂机静载荷和动载荷………………………………………………………… 132 
5.1.2 挂机疲劳载荷………………………………………………………………… 139 
 
5.2 力学环境条件……………………………………………………………………… 143 
5.2.1 随机振动试验条件设计……………………………………………………… 143 
5.2.2 冲击试验条件设计…………………………………………………………… 145 
5.2.3 加速度试验条件设计………………………………………………………… 146 
5.2.4 噪声试验条件设计…………………………………………………………… 147 
 
5.3 典型结构设计……………………………………………………………………… 148 
5.3.1 端框连接结构………………………………………………………………… 148 
5.3.2 吊耳连接结构………………………………………………………………… 152 
参考文献…………………………………………………………………………………… 161 
第6章地面试验和天地一致性…………………………………………………………… 163 
6.1 地面试验内涵和分类……………………………………………………………… 163 
6.1.1 地面试验内涵………………………………………………………………… 163 
6.1.2 地面试验分类………………………………………………………………… 164 
6.2 地面试验设计……………………………………………………………………… 165 
6.2.1 地面试验项目设计…………………………………………………………… 165 
6.2.2 地面试验设计原则…………………………………………………………… 167 
6.2.3 试验技术状态控制…………………………………………………………… 167 
6.2.4 地面试验条件覆盖性………………………………………………………… 167 
6.2.5 测试及试验边界条件真实性………………………………………………… 168 
6.2.6 虚拟试验的正确性…………………………………………………………… 168 
6.3 典型地面试验……………………………………………………………………… 169 
6.3.1 全箭模态试验………………………………………………………………… 169 
6.3.2 空气舵系统动特性试验……………………………………………………… 170 
6.3.3 全箭伺服弹性试验…………………………………………………………… 172 
6.3.4 模拟挂机状态振动试验……………………………………………………… 175 
6.3.5 级间热分离试验……………………………………………………………… 176 
6.3.6 分离环境下电连接器分离运动虚拟试验…………………………………… 185 
参考文献…………………………………………………………………………………… 190
 
第7章研制流程及风险控制……………………………………………………………… 191 
7.1 对研制流程的再认识……………………………………………………………… 191 
7.2 全寿命周期风险识别和控制……………………………………………………… 192 
7.2.1 风险识别线索………………………………………………………………… 193 
7.2.2 风险识别和控制实例………………………………………………………… 199 
7.3 新技术与研制流程改进…………………………………………………………… 202 
7.3.1 基于模型的系统工程方法…………………………………………………… 202 
7.3.2 运载火箭基于模型的系统工程……………………………………………… 203 
7.3.3 数字孪生……………………………………………………………………… 205 
7.3.4 多物理场耦合仿真…………………………………………………………… 207 
参考文献…………………………………………………………………………………… 208