CN104596361A - 一种运载火箭子级回收方法 - Google Patents

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一种运载火箭子级回收方法，(1)设计安装在一子级级间段上下半段之间安装平台，平台上安装稳定伞、减速伞和主伞；在运载火箭一子级级间段舱体下部以及一子级后过渡段舱体下部分别安装一个缓冲气囊；(2)当一子级降落至开伞高度时，水平弹射两具稳定伞；一子级姿态在稳定伞是作用下竖直稳定，脱离稳定伞，稳定伞拉出两具减速伞，减速伞充气并对一子级进行减速；一子级级间段上半段与下半段分离；分离的同时拉出三具主伞，主伞拉直后，减速伞携带级间段上半段与主伞脱离；一子级在主伞作用下达到稳降速度；在达到稳降速度后，垂挂吊索从一子级侧壁拉出将一子级由垂直吊挂转换成水平吊挂；(3)一子级着陆前打开缓冲气囊，完成回收。

Description

一种运载火箭子级回收方法
技术领域
本发明涉及一种运载火箭子级的回收方法。
背景技术
运载火箭在发展初期，为了达到顺利发射的目的，各航天国家都不计成本。随着航天技术的发展，各航天国家逐渐开始考虑发射成本问题，低成本发射已成为航天运输系统的发展趋势。
随着以SpaceX法尔肯系列运载火箭为代表的国外新型运载火箭进入国际商用发射市场，我国长征系列火箭过去拥有的价格优势已不再存在。另外，美国联合发射联盟计划在2020年前大幅降低目前的发射价格，欧洲和日本也都在着手新一轮降低火箭制造成本和发射成本的工作。因此，我国迫切需要开展运载火箭低成本设计技术研究。
运载器重复使用可实现“多次使用，费用均摊”，是降低航天发射成本主要途径之一，开展子级回收技术是实现运载火箭重复使用的基础。我国当前尚不具备运载火箭子级回收能力。本发明旨在设计一种运载火箭子级回收方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种不返回原场，伞降+气囊的回收方法。
本发明的技术解决方案是：一种运载火箭子级回收方法，步骤如下：
(1)设计一个安装平台，该平台安装在一子级级间段上下半段之间，平台上安装两具稳定伞及其连接分离机构、两具减速伞和三具主伞；每根稳定伞的吊带预埋在一子级级间段外侧壁上，吊带的一端连接稳定伞伞绳集束处，另一端连接到稳定伞连接分离机构上，同时2根稳定伞吊带汇成1根后又分成两根分别连接两具减速伞的伞包；两组减速伞通过1组减速伞连接吊带以不少于3个吊点通过吊带连接一子级级间段结构上，同时一子级级间段结构的连接吊带的其中3个吊点分别通过拉断绳与3具主伞包相连；3具主伞通过1组主伞连接吊带以2个吊点连接在级间段下半段前段上，其中一个吊点与前段固连，另一个吊点与垂挂吊索相连，垂挂吊索沿一子级纵轴预埋在一子级侧壁外并连接到一子级后过渡段上；
在运载火箭一子级级间段舱体下部以及一子级后过渡段舱体下部分别安装一个缓冲气囊，每个缓冲气囊由内囊和外囊组成，外囊侧面设置排气口，由安装在子级内部的高压气瓶给缓冲气囊充气；
(2)运载火箭一子级分离后飞行至最高点后按弹道式再入，当一子级降落至开伞高度时，水平弹射两具稳定伞；
(3)稳定伞打开涨满，一子级姿态在稳定伞是作用下竖直稳定，脱离稳定伞，稳定伞脱离过程中同时拉出两具减速伞，减速伞充气并对一子级进行减速；
(4)经过初步减速后，运载火箭一子级级间段上半段与下半段分离；级间段上半段分离的同时拉出三具主伞，主伞拉直后其伞顶拉断绳被拉断，减速伞携带级间段上半段与主伞脱离；
(5)主伞逐渐充气涨满，一子级在主伞作用下达到稳降速度；
(6)在达到稳降速度后，垂挂吊索从一子级侧壁拉出将一子级由垂直吊挂转换成水平吊挂；
(7)一子级着陆前打开缓冲气囊，外囊接触地面，当外囊内外压差达到工作压力时，外囊侧面排气口薄膜冲开，外囊向外排气，级间段下半段减速下降，内囊接触地面并开始压缩，最终将级间段下半段垫起，完成回收。
所述的外囊充气后为梯形台形状。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明能够直接支撑子级回收技术在未来低成本运载火箭上的应用，为实现重复使用打下坚实基础，其作为一项通用技术，并能够促进子级回收在各型运载火箭中可能的全面应用，为我国运载火箭的低成本化和提高商业发射市场竞争力提供重要途径。
(2)本发明给出了一种不返回原场的伞降+气囊陆地着陆回收方法，不需要对运载火箭设计进行较大改动。
(3)本发明的回收系统中降落伞可以采用常规降落伞和翼伞，气囊的设计中考虑了防止子级着陆侧翻设计，利于可靠回收。
附图说明
图1为本发明回收时序示意图；
图2为本发明气囊及一子级连接处横截面示意图；
图3为本发明气囊结构尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明一种运载火箭子级回收方法进行详细说明，本发明采用了降落伞+气囊的陆地着陆回收方法，不需要子级分离后发动机重新点火。具体步骤如下：
(1)在尽量简化与一子级总体结构接口的前提下，设计了一个安装平台，平台安装在一子级级间段上下半段之间。平台上主要安装两具稳定伞及其连接分离机构、两具减速伞和三具主伞；
在运载火箭一子级级间段舱体下部以及一子级后过渡段舱体下部分别安装一个缓冲气囊，每个缓冲气囊由内囊和外囊组成；外气囊在火箭一子级着陆时主要起缓冲作用。外气囊内部连着一个充气后成为半圆柱体内气囊，其内部压力比外气囊的高。外气囊起到缓冲作用后，通过泄气阀排出囊内气体，一子级最终支承在这个不排气的内气囊上，不直接与地面接触。
由于运载火箭一子级气囊缓冲着陆时，除了有垂直方向的着陆速度ve1外，由于风或者其他原因的影响，一子级还有水平方向的着陆速度vp1。气囊与一子级11以一定的侧倾角α着陆(速度v1与垂线方向的夹角)，如图2所示。根据气囊最大抗水平速度的能力，可以确定内气囊12、外气囊13的长度。
本例中外气囊13充气后为梯形台，高度s＝1800mm，顶部尺寸为2400mm×3400mm的长方形，底部尺寸为3000mm×5600mm的长方形，在外囊13侧面的中心位置各设置一个排气口14，排气口14布置在距底面900mm的水平线上。外气囊表面积为47.27m2，体积为20.36m3。内气囊12高度为250mm，充气后成为半圆柱体形，长s0＝3400mm，内气囊12表面积为12.68m2，体积为7.69m3。其内部压力比外气囊高，外气囊外设置气囊加强带15。内、外气囊结构尺寸如图3所示。
由于运载火箭一子级长度较长，两组气囊之间距离较大，考虑采用2个气瓶分别向两端气囊供气的方式，避免输气管路长距离穿越弹体带来的困难。气体选用氮气。气瓶容积45L，最大贮气压力30Mpa，选用钛合金内胆、外层缠绕碳纤维材料，具有质量轻、耐压能力高的优点。采用1个气瓶给一个气囊同时供气的方式，每个气瓶质量可以控制在25kg以内。
稳定伞系由2组相同的稳定伞组成，开伞分别由各自弹射筒弹射，每具稳定伞吊带各自预埋在一子级级间段外侧壁上，随稳定伞开伞从外侧壁拉出，一端连接稳定伞伞绳集束处，另一端连接到稳定伞各自对应的稳定伞连接分离机构上，同时2根稳定伞吊带又汇成1根同时连接两具减速伞的伞包，用于稳定伞分离时拉出减速伞；减速伞系由2组相同的减速伞组成，两组减速伞通过1组减速伞连接吊带以不少于3个吊点通过吊带连接一子级级间段结构上，同时级间段结构的连接吊带的3个分支与3组主伞包相连，用于减速伞带着级间段结构分离时拉出主伞；主伞系由3组相同的主伞装置组成，转换吊挂前3组主伞通过1组主伞连接吊带以2个吊点与级间段下半段前段连接，其中一个吊点与前段固连，另1根吊带与垂挂吊索相连，垂挂吊索沿一子级纵轴预埋在一子级侧壁外并连接到一子级后过渡段上，转换吊挂时垂挂吊索从一子级侧壁拉出。
每种降落伞的主要设计参数如下表所示。
表1稳定伞、减速伞和主伞的主要设计参数
降落伞参数 稳定伞 减速伞 主伞
伞形 20°锥形带条伞 20°锥形带条伞 环帆伞
名义面积，m2 6 60 1000
伞衣阻力系数 0.5 0.5 0.7
收口比 / 0.5 0.12
收口时间，s / 8 8
质量，kg 7.2 36 120
包装体积，L 14.4 80 300
(2)运载火箭一子级分离后飞行之最高点后按弹道式再入如图1所示的阶段1，当一子级降落至开伞高度(例如9.94km)时，通过弹射筒以180°度交角水平弹射两具稳定伞如图1所示的阶段2；
(3)稳定伞打开涨满，一子级姿态在稳定伞是作用下竖直稳定，通过非电传爆的方式同时作用2个稳定伞连接分离结构，使稳定伞脱离，稳定伞脱离过程中同时拉出两具减速伞(如图1所示的阶段3)，2具减速伞拉直后(如图1所示的阶段4)，减速伞伞顶与稳定伞伞包的连接绳被拉断，稳定伞分离，减速伞对一子级进行减速；
(4)经过初步减速后(经过12s延迟)，通过非电传爆方式同时作用火箭一子级级间段结构上、下半段间的连接螺栓解锁，运载火箭一子级级间段上半段与下半段分离；级间段上半段分离的同时拉出三具主伞(如图1所示的阶段5)，主伞拉直后其伞顶拉断绳被拉断，减速伞携带级间段上半段与主伞脱离(如图1所示的阶段6)；
(5)主伞逐渐充气涨满(如图1所示的阶段7)，级间段下半段在主伞作用下达到稳降速度；
(6)在达到稳降速度后(经过56s延迟)，发出“垂挂转换”指令，垂挂吊索从一子级侧壁拉出，将级间段下半段由垂直吊挂转换成水平吊挂(如图1所示的阶段8)；
(7)级间段下半段着陆前(例如可以在距离地面1km高度)打开缓冲气囊，外囊接触地面，当外囊内外压差达到工作压力时，外囊侧面排气口薄膜冲开，外囊向外排气，级间段下半段减速下降，内囊接触地面并开始压缩，最终将级间段下半段垫起，完成回收(如图1所示的阶段9)。
表2回收过程关键点参数示例
时间 高度 速度 动压 过载 备注
T0-1 10236 438 38602 -2.045
T0 9937 425 37602 -1.960 稳定伞开伞
T0+1 9642 413 36881 -1.932
…… …… …… …… ……
T0+14 5482 238 19741 1.78
T0+15 5248 231 19058 6.213 减速伞开伞
T0+16 5039 190 13276 4.328
…… …… …… …… ……
T0+34 3314 62 1700 1.055
T0+35 3252 62 1687 4.128 主伞开伞
T0+36 3201 44 845 2.068
注：表中标注行为选定的稳定伞开伞点，T0＝287s。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种运载火箭子级回收方法，其特征在于步骤如下：
(1)设计一个安装平台，该平台安装在一子级级间段上下半段之间，平台上安装两具稳定伞及其连接分离机构、两具减速伞和三具主伞；每根稳定伞的吊带预埋在一子级级间段外侧壁上，吊带的一端连接稳定伞伞绳集束处，另一端连接到稳定伞连接分离机构上，同时2根稳定伞吊带汇成1根后又分成两根分别连接两具减速伞的伞包；两组减速伞通过1组减速伞连接吊带以不少于3个吊点通过吊带连接一子级级间段结构上，同时一子级级间段结构的连接吊带的其中3个吊点分别通过拉断绳与3具主伞包相连；3具主伞通过1组主伞连接吊带以2个吊点连接在级间段下半段前段上，其中一个吊点与前段固连，另一个吊点与垂挂吊索相连，垂挂吊索沿一子级纵轴预埋在一子级侧壁外并连接到一子级后过渡段上；
在运载火箭一子级级间段舱体下部以及一子级后过渡段舱体下部分别安装一个缓冲气囊，每个缓冲气囊由内囊和外囊组成，外囊侧面设置排气口，由安装在子级内部的高压气瓶给缓冲气囊充气；
(2)运载火箭一子级分离后飞行至最高点后按弹道式再入，当一子级降落至开伞高度时，水平弹射两具稳定伞；
(3)稳定伞打开涨满，一子级姿态在稳定伞是作用下竖直稳定，脱离稳定伞，稳定伞脱离过程中同时拉出两具减速伞，减速伞充气并对一子级进行减速；
(4)经过初步减速后，运载火箭一子级级间段上半段与下半段分离；级间段上半段分离的同时拉出三具主伞，主伞拉直后其伞顶拉断绳被拉断，减速伞携带级间段上半段与主伞脱离；
(5)主伞逐渐充气涨满，一子级在主伞作用下达到稳降速度；
(6)在达到稳降速度后，垂挂吊索从一子级侧壁拉出将一子级由垂直吊挂转换成水平吊挂；
(7)一子级着陆前打开缓冲气囊，外囊接触地面，当外囊内外压差达到工作压力时，外囊侧面排气口薄膜冲开，外囊向外排气，级间段下半段减速下降，内囊接触地面并开始压缩，最终将级间段下半段垫起，完成回收。
2.根据权利要求1所述的一种运载火箭子级回收方法，其特征在于：所述的外囊充气后为梯形台形状。
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