CN106114916B - 一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法 - Google Patents

一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法 Download PDF

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Abstract

一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法，属于进入式航天器进入轨道使用的减速器技术领域，解决了现有的充气展开减速器存在的问题，一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，它包含球缺形的刚性头锥，围绕刚性头锥设置有一个由周期性囊瓣构成的伞状的气囊，气囊由下至上沿抛物线向外侧扩张，形成变曲率的外表面，在气囊内沿每两个相邻囊瓣的接缝处均设置有一组张拉索，围绕气囊的最大直径处设置有一个扰流气环；在刚性头锥内侧设置有水平质心控制盘；在刚性头锥内侧还设置有安插箱；上述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器的卷曲折叠收拢方法，采用W形和星形向心收拢并结合环向缠绕方法折叠；本发明用于空间飞行器减速。

Description

一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法
技术领域
本发明属于进入式航天器进入轨道使用的减速器技术领域，具体涉及一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法。
背景技术
航天器进入技术是一项重要技术，目前只有少数国家掌握；航天器的进入过程一般可分为如下几个阶段： 一、脱离原来的运行轨道；二、转入进入轨道的过渡段；三、进入大气层；四、转入进入轨道的进入段；五、转入进入轨道的着陆段；六、航天器安全着陆。为了保证航天器的安全着陆，进入段对航天器的减速过程十分重要，充气式减速器可通过充气方式增加航天器的阻力面积，它具有运载体积小、质量轻、易收拢等较多优点，然而现有的充气展开减速器还存在单位体积下表面积小，气体流通路径复杂，升阻比低和外缘稳定能力差等问题需要优化和解决。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的充气展开减速器存在的上述问题，提供了一种充气展开的周期性囊瓣式减速器及其卷曲折叠收拢方法，其技术方案如下：
一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，它包含球缺形的刚性头锥，围绕刚性头锥设置有一个由周期性囊瓣构成的伞状的气囊，气囊由下至上沿抛物线向外侧扩张，形成变曲率的外表面，在气囊内沿每两个相邻囊瓣的接缝处均设置有一组张拉索，围绕气囊的最大直径处设置有一个扰流气环，气囊下端与刚性头锥固定连接，刚性头锥、张拉索和扰流气环共同将气囊的气动外形稳定约束；扰流气环和气囊与气瓶及充气控系统连接即能实现空中充气展开；在刚性头锥内侧设置有水平质心控制盘，能起到粗略调整减速器飞行姿态的作用，水平质心控制盘与刚性头锥固定连接；在刚性头锥内侧还设置有安插箱，用来与飞行器连接，安插箱与水平质心控制盘固定连接。
上述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器的卷曲折叠收拢方法，采用折叠式雨伞的折叠方法，W形和星形向心收拢并结合环向缠绕的方法，具体包含如下步骤：
第一步，将放气后的气囊由外向内进行W形折叠；
第二步，将第一步W形折叠后的气囊进行星形折叠，将设置张拉索的位置推靠在水平质心控制盘的表面上，便形成星形；
第三步，将第二步星形折叠后的气囊的推靠在水平质心控制盘的表面以外的部分顺时针或逆时针旋转缠绕。
折叠后的气囊外侧套装自熔断圆环等将其锁定，航天器达到一定速度时，自熔断圆环自动熔断打开，同时充气控系统控制气瓶的阀门打开进行充气，减速器展开。
本发明的有益效果为：这种囊瓣状非圆形截面的减速器不仅增加了减速器的表面积，而且气囊的径向曲率半径小于头锥的曲率半径,气囊的周向为周期性的囊瓣所以能承受更高的内部的压差，保持结构的阻力面气动外形，提高结构的升阻比；周期性的囊瓣曲率不凹变处，起到结构表面气流的导流作用，同时自由边增强充气环解决了气囊的柔性充气结构外缘局部失稳的问题，也提高减速器在飞行至亚音速域时的稳定性。
附图说明
图1是本发明充气展开状态的整体结构示意图；
图2是气囊的内部示意图；
图3是一个囊瓣的结构示意图；
图4是水平质心控制盘的结构示意图；
图5是折叠方法第一步的示意图；
图6是折叠方法第二步的示意图；
图7是折叠方法第三步的示意图；
图8是折叠完成的示意图；
图9是气囊和扰流气环的充气展开控制流程示意图；
图10是减速器充气展开状态的径向截面轮廓示意图。
具体实施方式
参照图1至图8，一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，它包含球缺形的刚性头锥1，围绕刚性头锥1设置有一个由周期性囊瓣构成的伞状的气囊2，气囊2由下至上沿抛物线向外侧扩张，形成变曲率的外表面，在气囊2内沿每两个相邻囊瓣的接缝处均设置有一组张拉索2-1，围绕气囊2的最大直径处设置有一个扰流气环3，气囊2下端与刚性头锥1固定连接，刚性头锥1、张拉索2-1和扰流气环3共同将气囊2的气动外形稳定约束；扰流气环3和气囊2与气瓶及充气控系统连接即能实现空中充气展开；在刚性头锥1内侧设置有水平质心控制盘4，能起到粗略调整减速器飞行姿态的作用，水平质心控制盘4与刚性头锥1固定连接；在刚性头锥1内侧还设置有安插箱5，用来与飞行器连接，安插箱5与水平质心控制盘4固定连接。
上述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器的卷曲折叠收拢方法，采用折叠式雨伞的折叠方法，W形和星形向心收拢并结合环向缠绕的方法，具体包含如下步骤：
第一步，将放气后的气囊2由外向内进行W形折叠；
第二步，将第一步W形折叠后的气囊2进行星形折叠，将设置张拉索2-1的位置推靠在水平质心控制盘4的表面上，便形成星形；
第三步，将第二步星形折叠后的气囊2的推靠在水平质心控制盘4的表面以外的部分顺时针或逆时针旋转缠绕。
气囊2通过铆钉来与刚性头锥1连接，气囊2内由隔膜2-2均匀分隔为四个气室，每个气室分别与一个气瓶连接，可以实现四个气室同步展开，在隔膜2-2上设置通孔，使各气室间的气体可以流通，保证各气室气压均衡。
囊瓣数量为十八到三十六个之间的偶数。
水平质心控制盘4包含外壳4-1、弹簧4-2和重物块4-3，外壳4-1是圆筒形的，在外壳4-1内设置有两个重物块4-3，两个重物块4-3沿外壳4-1的轴心线排列，围绕每个重物块4-3设置多根弹簧4-2将重物块4-3与外壳4-1的周向侧壁连接；当减速器有朝某个方向的运动趋势时，重物块4-3也会向同一方向运动，而弹簧4-2会产生相反方向的拉力，保证了整体的质心不会产生较大偏离。
扰流气环3的四分之一表面与气囊2粘接，形成270度截面的扰流气环3。
参照图9，气囊2和扰流气环3的充气展开过程由单片机控制，具体流程如下：
气囊2和扰流气环3的气压通过传感器输入单片机；单片机的输出端分别控制五个气瓶的电磁阀，当单片机给电磁阀发送打开指令后，五个气瓶约在1s内完成充气，充气压力差约控制在200Kpa，单片机内条件语句结构示意：如果压力传感器检测到充气扰流环气压小于预设气压，电磁阀打开进行补气。
参照图10，减速器充气展开状态的径向截面轮廓线为：
刚性头锥1外侧表面的径向截面轮廓线1-1为圆x2+(y-0.09R1)2=(0.09R1)2的一部分；
气囊2外侧表面的径向截面轮廓线2-3为抛物线y=3x2/4R1+0.3x+0.08R1的一部分；
气囊2内侧表面的径向截面轮廓线2-4为抛物线y=13x2/5R1+0.8x+0.1R1的一部分；
气囊2内外表面衔接部分的径向截面轮廓线2-5为圆(x+0.8R1)2+(y-0.6R1)2=(0.18R1)2的一部分；
式中，以刚性头锥1的最低点为原点，减速器的对称轴为y轴，垂直于对称轴的水平方向为x轴，R1为气囊2的最大直径。

Claims (7)

1.一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于它包含球缺形的刚性头锥(1)，围绕刚性头锥(1)设置有一个由周期性囊瓣构成的伞状的气囊(2)，气囊(2)由下至上沿抛物线向外侧扩张，形成变曲率的外表面，在气囊(2)内沿每两个相邻囊瓣的接缝处均设置有一组张拉索(2-1)，围绕气囊(2)的最大直径处设置有一个扰流气环(3)，气囊(2)下端与刚性头锥(1)固定连接；在刚性头锥(1)内侧设置有水平质心控制盘(4)，水平质心控制盘(4)与刚性头锥(1)固定连接；在刚性头锥(1)内侧还设置有安插箱(5)，安插箱(5)与水平质心控制盘(4)固定连接。
2.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于减速器充气展开状态的径向截面轮廓线为：
刚性头锥(1)外侧表面的径向截面轮廓线(1-1)为圆x2+(y-0.09R1)2=(0.09R1)2的一部分；
气囊(2)外侧表面的径向截面轮廓线(2-3)为抛物线y=3x2/4R1+0.3x+0.08R1的一部分；
气囊(2)内侧表面的径向截面轮廓线(2-4)为抛物线y=13x2/5R1+0.8x+0.1R1的一部分；
气囊(2)内外表面衔接部分的径向截面轮廓线(2-5)为圆(x+0.8R1)2+(y-0.6R1)2=(0.18R1)2的一部分；
式中，以刚性头锥(1)的最低点为原点，减速器的对称轴为y轴，垂直于对称轴的水平方向为x轴，R1为气囊(2)的最大直径。
3.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于气囊(2)通过铆钉来与刚性头锥(1)连接，气囊(2)内由隔膜(2-2)均匀分隔为四个气室，每个气室分别与一个气瓶连接，在隔膜(2-2)上设置通孔。
4.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于囊瓣数量为十八到三十六个之间的偶数。
5.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于水平质心控制盘(4)包含外壳(4-1)、弹簧(4-2)和重物块(4-3)，外壳(4-1)是圆筒形的，在外壳(4-1)内设置有两个重物块(4-3)，两个重物块(4-3)沿外壳(4-1)的轴心线排列，围绕每个重物块(4-3)设置多根弹簧(4-2)将重物块(4-3)与外壳(4-1)的周向侧壁连。
6.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器，其特征在于扰流气环(3)的四分之一表面与气囊(2)粘接，形成270度截面的扰流气环(3)。
7.如权利要求1所述一种充气展开的周期性囊瓣式减速器的卷曲折叠收拢方法，其特征在于具体包含如下步骤：
第一步，将放气后的气囊(2)由外向内进行W形折叠；
第二步，将第一步W形折叠后的气囊(2)进行星形折叠，将设置张拉索(2-1)的位置推靠在水平质心控制盘(4)的表面上；
第三步，将第二步星形折叠后的气囊(2)的推靠在水平质心控制盘(4)的表面以外的部分顺时针或逆时针旋转缠绕。
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