CN103786874A - 陀螺舵重返大气层滑翔飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺舵重返大气层滑翔飞行器。在飞行器重返大气层的过程中，消除飞行器高速运动与空气摩擦所产生的热应力，是重返大气层飞行器需要解决的重要工程问题。本发明的飞行器，利用陀螺在惯性系中的方位稳定性特征，使陀螺轴通过差动装置操控飞行器轴，改变飞行器在大气中的姿态，飞行器外表面飞行角度的变化起到了舵面的效果，使得飞行器能够在大气中滑翔飞行。同时使飞行器围绕自身轴线有一个慢速的角位移，这个角位移使得发生在飞行器前缘的热应力区对飞行器而言是移动的。由于热应力区的位置在飞行器前缘上的移动，从而能获得对热应力进行降温所必要的时间和操作的空间，使飞行器能够安全地再入大气层并通过热障区。

Description

陀螺舵重返大气层滑翔飞行器

技术领域：本发明涉及一种使用陀螺稳定空间方位并调整飞行姿态的、角位移扩散热应力的、漂浮滑翔式重返大气层飞行器。

背景技术：现有的重返大气层飞行器，为航天飞机或返回舱。航天飞机由于热应力过于集中等等问题，发展受到阻滞。返回舱严格说来不是飞行器，而是如陨石般地“硬重返”大气层，是坠落而不是飞行。

发明内容：本发明是要提供一种滑翔式飞行状态的重返大气层飞行器，它能够在返回大气层过程中漂浮式滑翔飞行，同时能够扩散热应力集中点，使得热应力不是在一段时间内固定在飞行器某些表面区域堆积，从而能够获得必要的对热应力进行降温的时间和空间。

本发明飞行器的外形为飞碟状或飞鱼状，剖面为流线形翼状形状，在空气中运动时，可以产生一定的升阻比。内部为有一对相反方向旋转的、同轴线的陀螺装置。设置一对同轴线反向旋转的陀螺，是要使陀螺在空间启动时，自身吸收反向扭矩，而不将扭矩传递给飞行器。根据飞行器自身质量和载荷质量的不同，此陀螺旋转时应该具有足够大的旋转动量。陀螺旋转轴线与飞行器几何轴线在某一点同心，见图1，这一点是固定点。为陀螺轴0轴上的0点，和飞行器轴0′轴上的0′点，这两点始终重合。两轴通过差动装置和传动装置连接。通过差动装置，可以调整两轴的夹角α角；通过差动装置，可以使0′轴围绕0轴旋转。由于0点和0′点固定重合，所以0′轴围绕0轴的旋转是行星状的摆动旋转。通过传动装置，可以使飞行器围绕自身0′轴慢速转动，或者角位移。

另建立一个惯性参照系e系，见图2，原点为地球中心点，e轴为地球自转轴，参照系中任意一点0点的位置，由0点所在的经度、纬度，及0点到e点的距离r确定。为便于叙述，将e点0点的连线方向称作垂直方向；与e0连线垂直的、过0点的平面称作水平方向。这不是一个严格的力学意义上的惯性系，谨以此作为本工程的工程惯性参照系。

在重返大气层的飞行过程中，飞碟状飞行器的运动过程是这样的，在陀螺启动并建立方位姿态后，通过使用差动装置调整飞行器自转轴0′轴与陀螺自转轴0轴的夹角α角、并使0′轴围绕0轴行星式转动，由于0点与0′点的重合，飞碟在空间是一个摆动旋转状态；同时通过传动装置，使飞碟飞行器自身围绕0′轴还有一个缓慢的自转。飞碟在空间是摆动旋转加自转。利用陀螺在惯性系中具有的保持轴向稳定性的特征，在陀螺转动惯量足够大的状态下，在e参照系中可以观测到，飞碟飞行器的运动状态是随自身的0′轴行星式摆动旋转加自转前进。

将以上几种运动姿态组合起来，形成飞碟飞行器在e系中的完整运动状态。就是，飞碟飞行器携带初始运动速度，在大气中行星式圆周摆动旋转地、自身自转地、受到地心引力地、受到空气阻力地、在大气中滑翔。在滑翔中，由于飞行器的圆周摆动，飞碟飞行器会受到周期性的左向、右向升阻力，这样从垂直方向看，飞行器的运动轨迹是右向、左向的蛇形运动；从水平方向看，由于飞碟飞行器受到周期性变化的升阻力，再叠加上地心的重力引力，飞碟飞行器的运动轨迹是向下的波浪形运动。

在重返大气层的飞行过程中，飞鱼状飞行器的运动过程是这样的，在陀螺启动并建立方位姿态后，通过使用差动装置调整飞鱼飞行器自转轴0′轴与陀螺自转轴0轴的夹角α角、并使0′轴围绕0轴行星式转动，由于0点与0′点的重合，飞鱼飞行器在空间是一个摆动旋转状态；同时通过传动装置，使飞鱼飞行器自身围绕0′轴还有一个往复角位移β，图3，使得飞鱼飞行器的飞行前缘始终是ab弧上的某个点。

将以上几种运动姿态组合起来，形成飞鱼飞行器在e系中的完整运动状态。就是，飞鱼飞行器携带初始运动速度，在大气中行星式圆周摆动旋转地、自身往复角位移地、受到地心引力地、受到空气阻力地、在大气中滑翔。

由于有一个尾翼，飞鱼飞行器会比飞碟飞行器具有更好的在大气中的滑翔稳定性。

飞碟飞行器与飞鱼飞行器所不同的，是飞碟围绕自身0′轴旋转，而飞鱼围绕自身0′轴往复角位移。飞行姿态和轨迹都是一样的。

陀螺所起到的作用，像是给飞行器安装了舵机，舵面就是飞行器自身的外表面。舵机的动力，就是陀螺在惯性系中所具有的方位惰性。当要试图改变这个惰性的时候，就是当差动装置使0′轴与0轴产生夹角α角、并使0′轴围绕0轴行星式摆动转动的时候，飞行器受到的升阻力变化会反馈给陀螺系统，而陀螺在惯性系中的痴呆性方位记忆并不允许这样的变化，因为陀螺在惯性系中是有能量的。在本发明中，就是利用这种陀螺的惰性能量，提供给差动装置，产生舵效应。飞行器行星摆动旋转动作，会有空气升阻力反馈的作用力，所以一方面希望陀螺的转动惯量够大，另一方面只要有这个力存在，有空气升阻力的变化，飞行器就有舵效应存在，就能够影响飞行器的飞行状态，陀螺舵的目的在于此。在这个过程中，陀螺转动的能量会有消耗，需要陀螺启动后保持带动率运行。另外通过传动装置，使飞行器绕0′轴旋转或角位移的动作，不需要很大的力矩。

综上所述，飞行器带着初始速度、受到地心引力、空气阻力、在大气中做蛇形和波浪形的向接近地心方向的减速滑翔运动。由于飞行器的蛇形和波浪形运动，延长了它的运动路径，在水平速度不会增加的情况下，也即延长了飞行器走过这段路径的时间。同时又由于飞行器在这个过程中，还有围绕自身0′轴的角位移，这样，在前进方向前缘的热应力堆积点，对飞行器自身而言，是移动的。由此，我们得以获得必要的对热应力进行降温的时间和操作的空间，使飞行器能够安全地渡过热障区。

实际上，在此运动过程中，从e参照系中来观察，由于飞行器在大气中行星式摆动旋转运动，飞行器外表面所受到的空气升阻力，也会通过差动装置，传递给陀螺所在的0轴，并引起0轴在e系中的方位漂移。但是这个行星式摆动旋转是周期往复性的，所以它所引起的0轴在e系中的方位漂移也将是周期往复性的。在e系中能观测到，0轴和0′轴是互相行星式的、进动式的运动方式。只要陀螺的动量惯量足够大，α角度控制在一定的区间内，飞行器就能够做出所设定的飘浮滑翔，而不致失去状态。

附图说明：图1为陀螺所在的参照系0系，及飞行器所在的参照系0′系。0点为陀螺的几何中心点，0轴为陀螺的转动轴。0′点为飞行器的几何中心点，0′轴为飞行器的自转轴。0点与0′点始终是重合在同一点上。

图2为设定在地球上的惯性参照系。e点为地心点，e轴为地球自转轴。参照系中任意一点0点的位置，由该0点所在经度、纬度方位，及0点到e点的距离r确定。

图3为鱼状飞行器的俯视示意图，0′点为飞行器的几何中心点。a点至b点之间的弧线为飞行器的飞行前缘。β为飞行器围绕0′点的往复位移角。

图4为鱼状飞行器伸出控制翼示意图。

具体实施方式：本发明的任务是以如下方式完成，在飞行器重返进入大气层之前，经过一定减速并在e系中建立方位姿态后，此时0轴与0′轴重合，启动飞行器内的陀螺。飞行器进入大气层后，通过差动装置，调整0′轴与0轴的夹角α角，并使0′轴围绕0轴做行星式摆动旋转。同时通过传动装置，使飞行器绕0′轴慢速角位移。此时飞行器受到地心引力、周期性变化的空气升阻力，在初速度的引领下，在大气中滑翔。轨迹是水平蛇形的、垂直波浪形的运动。在地心引力的作用下，0点至e点的距离在逐渐减小；在空气阻力的作用下，0点的水平速度在逐渐减小。

在此过程中，根据大气密度的变化，和飞行器水平速度的变化，调整α角的角度，使飞行器获得合适的升阻力。

在此过程进行的同时，由于飞行器绕0′轴的慢速角位移，飞行器前进方向前缘的热应力点并不固定在飞行器外表的某一点，而是移动的。这样，就有了对热应力进行降温的必要时间和操作的空间。

当高度下降到一定高度，水平速度下降到一定速度以后，飞碟飞行器可以打开减速伞下降，返回地面或水面，完成重返大气层飞行。鱼式飞行器可以伸出控制翼，图4，刹停陀螺，自主控制滑翔，用轮式起落架，返回地面，完成重返大气层飞行。

具体到工程上，一对相反方向旋转的陀螺，可以就是电机的转子和定子对。为增加转动惯量，可以将它们做成厚沿比萨饼形状。对于飞行器外缘热应力的降温，可以使用一次性制冷，在飞行器外缘热应力区设置制冷通路，伺给制冷剂，蒸发后直接排入大气。或者在不至于影响飞行器飞行姿态的前提下，利用陀螺的转动，带动压气机吸入高层大气的冷气体，直接进行气冷。

相比较已有的航天飞机，本发明的飞行器提供了对热应力问题的更好的解决方案。相比较已有的返回舱，本发明的飞行器具有滑翔返回的能力，由于可以借助空气的浮力，应该能够携带更多的载荷。

在未来的空间开发和月球开发中，跨大气层的货物运输会和现在的跨大洋运输一样繁忙。跨大气层的民工返乡也需要大容量的飞行器，这些都是本发明的应用前景。

Claims (1)

1.一种使用陀螺定位并调整飞行姿态的、角位移扩散热应力区的、滑翔式的重返大气层飞行器，其特征在于飞行器外形为剖面呈流线型翼状，飞行器内部有一对同轴反向旋转的陀螺，陀螺轴线中心点与飞行器几何轴线中心点始终重合，陀螺轴与飞行器轴之间由具有差动功能和传动功能的连接装置连接，差动功能使陀螺轴与飞行器轴之间夹角角度可调并两轴之间可以行星式摆动旋转，传动功能使飞行器可以绕自身轴角位移旋转，在飞行器滑翔飞行时，由于陀螺轴与飞行器轴之间带夹角的行星摆动旋转，使飞行器受到的空气升阻力周期性变化，飞行轨迹呈蛇形和波浪形叠加，延长了飞行器重返大气层过程中的飞行距离和飞行时间，同时飞行器绕自身轴角位移运动，飞行器前缘的热应力区周期性移动，飞行时间的延长和热应力区的移动，创造了对热应力进行降温的必要的时间和操作空间，使得飞行器可以安全地重返大气层。

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