新型高空气球搭载火箭发射系统设计

曾 言

(浙江大学附属中学 浙江杭州 310007)

一、研究背景

21世纪是属于航天的世纪，航天事业欣欣向荣，涌现出了一大批的新科研成果[1]。同时，航天领域的研发力度逐年加大，降低航天成本已成为目前航天工程共同追逐发展的目标[2]。采用同温层气球作为基础级，将火箭送入高空，之后火箭点火工作将载荷送入轨道的气球发射火箭具有发射成本低，发射灵活的特点[3]。

同温层氦气球设计主要为结构设计，包括：高空气球、飞行牵引框架、吊舱。其需要实现的主要功能包括：牵引火箭至高空、隔离气球旋转对于火箭的影响、充当发射遥控中继以及调整发射角度[4-5]。

2017年3月1日，西班牙零至无穷公司在西班牙海岸附近利用气球将小型火箭Bloostar发射至25km高度后，成功实现分离、点火，并在海上完成回收[1-2]。但是，该火箭总重量仅有5吨左右，无法满足较大发射质量和较高发射轨道的需求。因此，本研究依据气球发射火箭的理念和现阶段相关技术的发展现状，为进一步降低轨道发射成本，考虑采用更大的高空气球将火箭送至高空实现零燃料消耗飞越稠密大气。本文通过对整体方案可行性的研究，设计基本构型，并在此基础上计算其整个发射过程的重要参数。

二、气球火箭总体设计

首先对气球发射火箭总体结构进行设计，本研究设计气球发射火箭基本构型如图1（a）所示，火箭外形如图1（b）所示。

图1 气球火箭总体方案

火箭主体分为两部分，一是上部的零压式高空气球，高度100m，体积601 820m3，由厚度2mm，面密度1.93kg/m2的聚乙烯制成高空气球蒙皮材料。……