关于BM(W)BM1可回收固体火箭的项目策划书部分内容及部分设计架构

文号928964

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陈奕呈

Science_Iron_man2024/02/02原创喷气推进 IP:福建

中文摘要

各位朋友们，部分图片仅作展示，大部分内容节选于项目策划书，未经过多修改。部分内容为使用设备器件介绍，摘抄介绍文件。注意部分设计可能已经有修改未实时更新或已经正在考量计划修改，最终版本的部分结构可能与图片中展示的不同。如BM1下面级固体火箭发动机（不包括矢量偏流部分）结构，发动机类型可能会出现一些调整

BM（W）BM1计划第五次策划书

概述

本次计划自主研发一枚小型探空固体可回收火箭，对各项技术进行技术验证，测试其阻拦式可回收技术多项技术，为未来研究讨论、自主创业融资做准备。项目期限原定于2023年12月24号截止，第四次延期后，2023年11月1日，项目第五次重新启动，且在方案理论验证实践方面开始推进，至此BM（W）BM1理论验证阶段正式启动，理论方案部署已经基本完成，阻拦式可回收试验技术在与杭州曾接触该领域的航空零件设计工程师多次交流后得出结论，在各方面看来，该方案在理论上完全可行。

项目介绍：

小型探空固体火箭是一种用于高空大气层研究的无人飞行器。它们被用于携带各种科学仪器和传感器，以收集大气层中温度、压力、湿度、气体成分等数据。这些数据对于气象研究、大气层物理学、空气污染监测以及天文学等领域非常有价值。

项目总目标：

本次策划的目的：

总目标：实现小型固体火箭的回收

分目标：达到计划飞行高度、测试全箭设计结构强度、矢量发动机性能、小型固体火箭发动机空中关机重启、采集飞行测试数据

项目创新性：

1、实现小型固体火箭的空中关机重启

2、实现栅格舵在火箭上的成功运用

3、在微型火箭上实现反向推进减速

4、使用可回收阻拦技术

项目实施方案

项目内容：

BM1改其主要设备和组件包括：

1. 第一级（First Stage）：

• BM1改辅助推进（Auxiliary propulsion2 1A Engines）发动机：BM1改第一级配备了1台BM1辅助2 1A AP-CP可重复使用固体火箭发动机，该发动机能够进行推力调整，以实现精确控制。

• 反推发动机（Reverse thrust engine）：BM1改一级同时配备了一台用于末端制动减速的反推发动机，其燃料在正常情况下装备的是KNDX或KNSB复合推进剂，该发动机可使用KNDX和APCP两种不同燃料。不具备推力矢量功能，用于返回制动减速，以保证一级助推器按计划保持缓慢下降速度返回地面。使用KNDX/KNSB预计海平面推力约为120N-150N

• 栅格舵（Grid Fins）：用于大气再入阶段的姿态控制和着陆引导，是可展开的空气动力学控制面。

• 热防护系统（Thermal Protection System）：保护第一级在重返地面免受高温影响。

2. 第二级（Second Stage）：

• 附加1Additional 1A引擎（Additional 1 1A）：BM(W)BM1改第二级配备了一台适用于稀薄大气环境下工作的AP-CP型固体火箭发动机

3. 第三级（Third stage)

• BM1改/BM1主控装置：BM1/BM1改火箭控制核心，装载三台飞行计算机，200%冗余设计确保火箭可以顺利完成任务。

• BM1（β21sZTFT 1AEngines）贝塔21sZTFT 1A可多次点火、可重启固体发动机：BM1下面级配备了1台AP-CP可重复使用固体火箭发动机，该发动机能够进行推力调整，以实现精确控制。

• 推进器系统（Thrust Vector Actuators）：用于调节发动机喷口方向，提供矢量推力。

• 末端制动反推发动机F2A（Reverse thrust engine- end）：其燃料在正常情况下装备的是KNDX复合推进剂，该型号发动机可使用KNDX和APCP等类型的不同燃料。

• 第一次减速反推发动机F1A（Reverse thrust engine-first deceleration）：在正常情况下在这台发动机内部署的是AP-CP复合推进剂，该型号发动机可使用KNDX和APCP等类型的不同燃料。

• 减速板控制系统：用于减缓下落速度，修正姿态

• 栅格舵（Grid Fins）：用于大气再入阶段的姿态控制和着陆引导，是可展开的空气动力学控制面。

• RCS反作用控制系统（Reaction Control System）：

RCS是”Reaction Control System”（反应控制系统）的缩写，它在航天器尤其是火箭和飞船中扮演着至关重要的角色。RCS是一种用于调整航天器姿态、方向和旋转速率的小型推力器系统。这些小型推进器通常使用冷气、氮气或肼等作为推进剂，并且可以独立控制，提供精确而灵活的推力。

RCS气体：二氧化碳

• 热防护系统（Thermal Protection System）：保护BM1子一级在高速重返地球大气层时免受高温影响。

4. 整流罩（Payload Fairing）：

• 降低火箭受到的大气压力，保护安全装置（BM1上面级返回减速降落伞）载荷不受大气压力、温度变化和气动加热的影响，在再入返回时达到预定后会分离或出现异常系统自动触发安全机制

5. 导航与控制系统：

• 包括飞行计算机、惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（GPS）接收器等，负责火箭的制导、稳定和定位。

6. 地面支持设备：

• 发射台支持结构、发射架、喷淋系统、遥测及通信设备等，用于火箭发射前的准备、对接和发射过程中的监控。

7. 可重复使用技术：

• BM1改Auxiliary Additional 2一级火箭和BM1段下面级具备垂直动力回收多次重复使用的能力，通过阻拦系统辅助和推进器反推，尝试实现陆地或海上平台垂直回收，并经过检查、翻新后再次执行二次发射。

BM1改：

FMC飞行计算机

BM(W)BM1改主控飞行计算机（FMC），其中央处理器为STM32H757及MSP430FR5969，同时STM32H757也作为FCC飞行控制计算机，内部核心电路还包括一台STM32H750 MCU，两台单片机通过以太网连接，同时在冗余设计中，BM(W)BM1上总共装备三台这样的计算机，其中两台被配置为备用设备，以支持在主设备故障时接管其功能，具备200%的冗余，每台计算机通过各自的MSP430FR5969单片机SPI及STM32H750以太网进行通信，外围电路包括为整个系统供电的电源电路及电源管理电路，负责为整个FMC系统提供稳定的电源，并在电源波动时保护敏感器件；视频摄像模块电路，舵机驱动模块电路，毫米波传感器电路，GNSS导航模块电路，蓝牙模块电路，激光测距模块电路，电磁阀控制电路，发动机和尾翼抛离点火装置控制电路，对外无线电通信电路，与惯导间通讯电路，实现了视频采集存储和传输功能、舵机驱动功能、测距功能、点火控制功能、无线电通讯功能和与惯导交联功能。

主控飞行控制系统计算机主控芯片：STM32FH757XIT6（封装：TFBGA-265）

STM32F407VET6是意法半导体（STMicroelectronics）推出的基于ARM Cortex-M4内核的高性能微控制器，其主要性能特点包括：

1. 处理器内核：

• STM32H757XI(H6)采用了ARM Cortex-M7内核，主频最高可达480MHz，并且支持单精度和双精度浮点运算单元（FPU），提供卓越的计算能力。

2. 存储器配置：

• 通常配备较大容量的闪存，例如STM32H757XIH6可能具备高达2MB的Flash存储空间。

• 同样拥有较大容量SRAM，以便运行复杂的实时应用和数据处理任务。

3. 外设集成：

• 包括丰富的通信接口，如USB OTG高速/全速接口、千兆以太网MAC、多通道UART、SPI、I2C等。

• 高级定时器、ADC、DAC、比较器、加密模块（AES, RNG, HASH等硬件加速引擎）、TrustZone安全技术等。

4. 电源管理与节能特性：

• 支持多种低功耗模式，通过DVFS技术动态调整电压和频率，优化功耗性能比。