序
液體火箭發(fā)動機(jī)作為運(yùn)載火箭的核心組成部分，對運(yùn)載火箭綜合性能指標(biāo)的實現(xiàn)和高可靠飛行具有決定性的影響，一代運(yùn)載火箭牽引一代發(fā)動機(jī)，一代發(fā)動機(jī)支撐一代運(yùn)載火箭。為了實現(xiàn)兼具高結(jié)構(gòu)效率和高能量轉(zhuǎn)化效率的目標(biāo)，液體火箭發(fā)動機(jī)需要以盡量輕薄的結(jié)構(gòu)和緊湊的布局，經(jīng)歷極高溫、強(qiáng)振動、大熱流等工作環(huán)境。內(nèi)部流固耦合作用機(jī)理復(fù)雜且對邊界條件敏感，這就導(dǎo)致了運(yùn)載火箭飛行過程中發(fā)動機(jī)故障多發(fā)，且多為成敗型故障模式，對其他系統(tǒng)易造成次生災(zāi)害。

液體運(yùn)載火箭動力冗余技術(shù)是運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展的重大方向，我在日常工作中尚未見到關(guān)于動力冗余技術(shù)的專著，這恰恰也是我國下一代運(yùn)載火箭應(yīng)該努力的方向。要應(yīng)用動力冗余技術(shù)，需要從頂層設(shè)計上融入新的設(shè)計理念和方法。著者長期從事運(yùn)載火箭總體設(shè)計，近幾年對該方向進(jìn)行了深入研究，從運(yùn)載火箭頂層設(shè)計流程入手，對動力冗余技術(shù)的主要技術(shù)方向和關(guān)鍵技術(shù)項目進(jìn)行了詳細(xì)梳理和系統(tǒng)研究，提出了基于發(fā)動機(jī)測量參數(shù)和飛行動力學(xué)參數(shù)互為冗余補(bǔ)充的故障診斷技術(shù)，形成了推力調(diào)節(jié)時機(jī)和幅度聯(lián)合優(yōu)化的方案；通過試驗辨識了交叉輸送技術(shù)的影響因素和相關(guān)規(guī)律，確認(rèn)了采用在線軌跡重規(guī)劃、自適應(yīng)切換制導(dǎo)諸元、在線控制重構(gòu)的技術(shù)可行性；同時，針對運(yùn)載火箭安全防護(hù)和動力冗余的試驗驗證體系也進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。相關(guān)工作的開展為運(yùn)載火箭采用動力冗余技術(shù)明確了實施思路，為后續(xù)運(yùn)載火箭總體設(shè)計優(yōu)化和提高運(yùn)載火箭飛行成功率提供了有益參考。

本書相關(guān)研究內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)，內(nèi)容豐富，有仿真和試驗研究結(jié)果作為支撐，對未來工程應(yīng)用的指導(dǎo)性強(qiáng)，將進(jìn)一步完善液體運(yùn)載火箭動力冗余技術(shù)的知識體系，可作為工程設(shè)計人員和高等院校師生的參考書。

祝愿中國的運(yùn)載火箭不斷取得新的突破，飛得更高、更穩(wěn)！

龍樂豪

2021年12月

前言

運(yùn)載火箭是進(jìn)入太空的運(yùn)輸工具，由于對高性能的極致追求，高風(fēng)險始終如影相隨。動力系統(tǒng)是決定運(yùn)載火箭飛行可靠性的重要環(huán)節(jié)，數(shù)十年來國內(nèi)外運(yùn)載火箭近6 000次的飛行實踐表明，動力系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)射失利占失利總數(shù)的一半以上。在運(yùn)載火箭設(shè)計之初融入動力系統(tǒng)冗余的理念，即在飛行中部分發(fā)動機(jī)出現(xiàn)有限故障的情況下仍可保證任務(wù)的圓滿成功，是進(jìn)一步提高運(yùn)載火箭可靠性的有效途徑。

動力冗余是典型的多學(xué)科交叉融合領(lǐng)域，涉及運(yùn)載火箭總體、液體火箭發(fā)動機(jī)、增壓輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，以及流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)、多體動力學(xué)、流固耦合、控制理論、優(yōu)化理論、人工智能等多個學(xué)科專業(yè)。相關(guān)研究既對理論基礎(chǔ)提出了較高的要求，也需要充分貼近工程應(yīng)用實踐，將研究成果轉(zhuǎn)化為運(yùn)載火箭飛行可靠性的切實提升。國外相關(guān)研究起步較早，美國和蘇聯(lián)在早期登月火箭土星5號和N1的研制過程中就已經(jīng)對動力冗余技術(shù)進(jìn)行了較為深入的論證，并在系統(tǒng)方案設(shè)計中予以考慮。航天飛機(jī)的研制延續(xù)了這一理念，SpaceX公司獵鷹9號火箭進(jìn)一步推動了動力冗余技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。我國運(yùn)載火箭在電氣系統(tǒng)設(shè)計中多采取冗余措施提高可靠性，但應(yīng)對動力系統(tǒng)故障的容錯能力不強(qiáng)，特別是出現(xiàn)單臺或部分發(fā)動機(jī)推力喪失嚴(yán)重故障時，很難保證任務(wù)成功。加強(qiáng)動力冗余技術(shù)的研究可以有效帶動相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，對提高我國運(yùn)載火箭飛行成功率意義重大，也是對未來智慧火箭相關(guān)技術(shù)的有益探索。

國內(nèi)外關(guān)于運(yùn)載火箭總體設(shè)計、故障診斷和低溫液體火箭發(fā)動機(jī)的相關(guān)著作較為豐富，動力冗余領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實踐也非�；钴S，極大豐富了該領(lǐng)域的參考資料。著者在日常工作過程中發(fā)現(xiàn)，已有的液體運(yùn)載火箭動力冗余知識點較為分散，對于初學(xué)者尤其是介入航天型號研制時間不長的工程師而言，不利于形成該領(lǐng)域體系化的知識結(jié)構(gòu)，一份系統(tǒng)的、全面的學(xué)習(xí)教材成為亟需。在相關(guān)研究項目資助下，著者有幸和研究團(tuán)隊一道，圍繞運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)冗余相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)開展專項研究。隨著研究的深入，對動力冗余的認(rèn)識也逐步加深，對相關(guān)成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理總結(jié)、凝練成冊，豐富現(xiàn)有資料庫的想法也日漸清晰，這既是團(tuán)隊攻關(guān)的點滴記錄，也是后來者前行的鋪路基石。

本書遵循系統(tǒng)工程理念，面向運(yùn)載火箭工程研制，從頂層需求和系統(tǒng)特點入手，涵蓋了動力冗余技術(shù)的主要技術(shù)方向和重點工作項目，是對該項技術(shù)研究成果的一次全面總結(jié)。全書共分為8章：第1章概述了液體運(yùn)載火箭和動力系統(tǒng)的特點，介紹了動力冗余技術(shù)的實現(xiàn)過程和主要關(guān)鍵技術(shù)；第2章闡述了動力冗余的總體設(shè)計技術(shù)，從火箭全箭角度分析動力冗余技術(shù)的影響范疇；第3章系統(tǒng)介紹了液體運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)路線、軟硬件需求，并開展具體的案例分析；第4章結(jié)合具體案例對液體運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)解讀；第5章闡述了推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的實現(xiàn)方案和具體策略；第6章詳述了控制重構(gòu)技術(shù)在運(yùn)載火箭動力冗余中的研究和應(yīng)用情況；第7章為結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計技術(shù)，梳理了當(dāng)前對發(fā)動機(jī)惡性故障防護(hù)相關(guān)研究的進(jìn)展；第8章為試驗技術(shù)，重點講解了為系統(tǒng)驗證動力冗余技術(shù)需要重點開展的仿真試驗和實物試驗。

本書第1章由容易、秦曈撰寫，第2章由容易、秦曈、陳士強(qiáng)撰寫，第3章由陳士強(qiáng)、熊天賜、牟宇撰寫，第4章由周寧、容易、牟宇撰寫，第5章由熊天賜、容易、陳士強(qiáng)撰寫，第6章由牟宇、張志國、朱海洋撰寫，第7章由容易、張薇、顧名坤撰寫，第8章由朱海洋、陳士強(qiáng)、容易撰寫。容易擬定全書內(nèi)容并審校全稿。在本書的編寫過程中，北京航空航天大學(xué)梁國柱教授、北京理工大學(xué)袁夢琦教授、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院張智研究員、北京航天動力研究所鄭孟偉研究員、北京航天試驗技術(shù)研究所王占林研究員等專家提出了寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝。

本書的閱讀需要具備一定的航空航天基礎(chǔ)專業(yè)知識，既可作為高等院校航空宇航科學(xué)與技術(shù)相關(guān)學(xué)科專業(yè)研究生教材，也可作為從事航天飛行器設(shè)計領(lǐng)域的研究人員和工程設(shè)計人員的參考資料。由于著者水平有限，雖竭盡全力，不足之處在所難免。對書中存在的缺點和不完備之處，懇請讀者批評指正。

著者
2021年12月
北京南苑