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

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

本書相關研究內容系統(tǒng)性強，內容豐富，有仿真和試驗研究結果作為支撐，對未來工程應用的指導性強，將進一步完善液體運載火箭動力冗余技術的知識體系，可作為工程設計人員和高等院校師生的參考書。

祝愿中國的運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

運載火箭是進入太空的運輸工具，由于對高性能的極致追求，高風險始終如影相隨。動力系統(tǒng)是決定運載火箭飛行可靠性的重要環(huán)節(jié)，數(shù)十年來國內外運載火箭近6 000次的飛行實踐表明，動力系統(tǒng)故障導致發(fā)射失利占失利總數(shù)的一半以上。在運載火箭設計之初融入動力系統(tǒng)冗余的理念，即在飛行中部分發(fā)動機出現(xiàn)有限故障的情況下仍可保證任務的圓滿成功，是進一步提高運載火箭可靠性的有效途徑。

動力冗余是典型的多學科交叉融合領域，涉及運載火箭總體、液體火箭發(fā)動機、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、傳熱傳質學、燃燒學、多體動力學、流固耦合、控制理論、優(yōu)化理論、人工智能等多個學科專業(yè)。相關研究既對理論基礎提出了較高的要求，也需要充分貼近工程應用實踐，將研究成果轉化為運載火箭飛行可靠性的切實提升。國外相關研究起步較早，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)對動力冗余技術進行了較為深入的論證，并在系統(tǒng)方案設計中予以考慮。航天飛機的研制延續(xù)了這一理念，SpaceX公司獵鷹9號火箭進一步推動了動力冗余技術的發(fā)展和應用。我國運載火箭在電氣系統(tǒng)設計中多采取冗余措施提高可靠性，但應對動力系統(tǒng)故障的容錯能力不強，特別是出現(xiàn)單臺或部分發(fā)動機推力喪失嚴重故障時，很難保證任務成功。加強動力冗余技術的研究可以有效帶動相關學科發(fā)展和技術進步，對提高我國運載火箭飛行成功率意義重大，也是對未來智慧火箭相關技術的有益探索。

國內外關于運載火箭總體設計、故障診斷和低溫液體火箭發(fā)動機的相關著作較為豐富，動力冗余領域的科學研究和工程實踐也非�；钴S，極大豐富了該領域的參考資料。著者在日常工作過程中發(fā)現(xiàn)，已有的液體運載火箭動力冗余知識點較為分散，對于初學者尤其是介入航天型號研制時間不長的工程師而言，不利于形成該領域體系化的知識結構，一份系統(tǒng)的、全面的學習教材成為亟需。在相關研究項目資助下，著者有幸和研究團隊一道，圍繞運載火箭動力系統(tǒng)冗余相關的關鍵技術開展專項研究。隨著研究的深入，對動力冗余的認識也逐步加深，對相關成果進行系統(tǒng)梳理總結、凝練成冊，豐富現(xiàn)有資料庫的想法也日漸清晰，這既是團隊攻關的點滴記錄，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的主要技術方向和重點工作項目，是對該項技術研究成果的一次全面總結。全書共分為8章：第1章概述了液體運載火箭和動力系統(tǒng)的特點，介紹了動力冗余技術的實現(xiàn)過程和主要關鍵技術；第2章闡述了動力冗余的總體設計技術，從火箭全箭角度分析動力冗余技術的影響范疇；第3章系統(tǒng)介紹了液體運載火箭發(fā)動機故障診斷技術的發(fā)展歷程、技術路線、軟硬件需求，并開展具體的案例分析；第4章結合具體案例對液體運載火箭發(fā)動機推力調節(jié)技術進行詳細解讀；第5章闡述了推進劑交叉輸送技術的實現(xiàn)方案和具體策略；第6章詳述了控制重構技術在運載火箭動力冗余中的研究和應用情況；第7章為結構安全性設計技術，梳理了當前對發(fā)動機惡性故障防護相關研究的進展；第8章為試驗技術，重點講解了為系統(tǒng)驗證動力冗余技術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、陳士強撰寫，第3章由陳士強、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、容易撰寫。容易擬定全書內容并審校全稿。在本書的編寫過程中，北京航空航天大學梁國柱教授、北京理工大學袁夢琦教授、中國運載火箭技術研究院張智研究員、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專業(yè)知識，既可作為高等院校航空宇航科學與技術相關學科專業(yè)研究生教材，也可作為從事航天飛行器設計領域的研究人員和工程設計人員的參考資料。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