CN107215484A - 一种火箭回收着陆装置 - Google Patents

Abstract

设计了一种火箭回收着陆装置，应用于运载火箭第一子级在进行轨道分离任务后以垂直姿态返回指定回收区域进行着陆的场景。它主要由火箭子级、主动支架、从动支架、液压阻尼杆等四个部分组成；其中火箭子级包含电机以及电机传动系统；主动支架包含传动轴、主动支架两个部分；从动支架包含缓冲器、缓冲器支架、从动支架金属板两块、整流罩、锁定器；液压阻尼杆采用的是不包含外置储油箱的内阻式液压阻尼杆。通过火箭子级主发动机再点火，爆炸螺栓解锁后，支架在电机辅助作用下自然展开着陆，完成缓冲目的。本着陆支架缓冲性能优秀，安全性能高，结构简单，成本较低，具有一定的实用价值。

Description

一种火箭回收着陆装置

(一)技术领域

本设计是一种火箭回收着陆装置，它用于运载火箭第一子级在进行轨道分离任务后以垂直姿态返回指定回收区域进行着陆的场景。该火箭回收装置可以通过火箭子级主发动机再点火，爆炸螺栓解锁后，支架在电机辅助作用下自然展开着陆，完成缓冲目的。本设计属于航空航天技术领域。

(二)背景

2006年10月24日上午6时48分，我国太原卫星发射中心成功发射了一枚运载火箭用以携带卫星上天，那就是“长征四号乙”运载火箭，该火箭发射时承载了两颗用于空间环境探测的卫星，而其火箭助推器分离解锁后不可操控地坠落在陕西省内的安康地区，所幸的是火箭助推器的金属物体坠落地面时并没有直接造成人员伤亡，但这一坠落事件依然给当地村民造成了极大的惊慌。2008年4月25日23时35分，由中国空间技术研究院为主研制的我国第一颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心通过地球同步转移轨道运载能力为3.8吨的“长征三号丙”运载火箭成功进行发射升空。然而8分钟后，一个庞然大物坠落在仁怀市的九仓镇境内，那就是先前用于发射该卫星的火箭一级助推器残骸。为了保护广大人民群众的生命财产安全避免受到火箭助推器残骸坠落的影响，需要将附近四个乡镇落区的群众，进行大规模的疏散，撤离到开阔地带和远离坠落区的安全区域。

2015年12月22日，轨道通信公司的11颗小型通信卫星经由搭载猎鹰-9(Falcon-9)火箭成功发射，这是美国太空探索技术公司(SpaceX)开发的一款运载火箭。这是升级版猎鹰-9火箭的首次使用。更重要的是，猎鹰-9火箭在世界上首次成功进行火箭第一子级(First stage)有动力情况下的垂直回收，轨道运载火箭的回收技术由此得到了历史上首次充分验证，它同时还为将来能够明显降低发射成本的完全可重复使用运载器打下了坚定地技术基础。

回收运载器能够保障地面人员的生命财产安全，避免火箭发射后的残骸随机坠落入民居威胁生命财产安全。此外，总造价约为五千万美元的猎鹰-9火箭，其推进剂的成本大概只有20万美元。因此，如能有效地完成回收火箭的任务，使其经过简单维修后甚至不需要维修就能够重复使用，则可极大降低其发射成本。针对火箭回收问题，提出一种四腿式回收着陆用支架方案，设计了火箭回收着陆装置，用于实现火箭回收的着陆。

(三)设计内容

1、目的：本设计的目的是为了实现火箭回收的安全着陆，提供了一种火箭回收着陆装置，它提供了一种新的火箭回收着陆方法，克服了现有技术的不足，能实现火箭回收的安全着陆。

2、技术方案：本设计一种火箭回收着陆装置，它是由火箭子级、主动支架、从动支架、液压阻尼杆四个部分组成，其中火箭子级包括：火箭第一子级、电机、电机传动系统三个部分；主动支架包括：传动轴、主动支架两个部分；从动支架包括：缓冲器、缓冲器支架、从动支架金属板两块、整流罩、锁定器，液压阻尼杆自身单独作为一个部分，四个部分组成了一个曲柄机构，其中火箭子级为机架，主动支架为曲柄。

它们之间的位置连接关系是：首先固定火箭第一子级，电机与电机传动系统布置在火箭子级内部，之后通过转动轴将液压阻尼杆和主动支架的一端分别固定在火箭第一子级的支架储仓内部，采用辅助器械使其保持一定的角度，同时将两片从动支架金属板与整流罩通过连接螺栓固定成一个整体，将着陆缓冲器与着陆缓冲器支架连接成为一个整体，然后将锁定器与着陆缓冲器一起与从动支架金属板和整流罩整体连接，形成完整的从动支架部件，再将从动支架依靠转动轴连接在液压阻尼杆和主动支架的另一端，通过辅助器械将着陆支架收起到锁定位置，在锁定器上端与火箭第一子级之间安装双元爆炸螺栓即完成单个着陆支架的装配。子级火箭作为着陆支架所搭载的主体，在其下部支架仓位收纳四个由主动支架，从动支架，液压阻尼杆和整流罩等部件组成的着陆支架，火箭底部安装可重复点火的发动机提供推力。具体的连接接触情况可以参考图1(a)支架收拢状态、图1(b)支架展开状态、图2着陆支架所示。

所述火箭第一子级为抽空圆柱体，其结构轮廓可参考图1，外部直径为3660mm，高度42600mm，支架仓位宽度800mm，高度10850mm，其底端距离火箭底部为600mm，深度为800mm。其主要功能是提供推进力，为火箭第二级提供依托，提供支架收纳仓位，是回收目标进行的主体；

所述电机选型YTSZ系列冶金及起重用变频调速三相异步电机YTSZ335L-4，直径为710mm，长度为1580mm，提供避免卡死的转矩，额定转矩2005.5N·m，最大转矩/额定转矩为3.5；

所述电机传动系统为定制，满足传动稳定，传动比1～10情况下，传动效率0.75即可，总体布置如图3所示；

所述传动轴，直径为100mm，长度为400mm；

所述主动支架为直槽型，是整个火箭着陆回收支架的启动部件，与驱动电机经过传动轴和电机传动系统相互连接，宽度为300mm，配合关节距离为5000mm，厚度为150mm，其结构轮廓可参考图4；

所述整流罩，为不规则外型，质量约为1232.724kg，其结构轮廓可参考图5。

所述从动支架金属板为不规则直槽型，最长配合关节为9500mm，最长宽度为745mm，厚度为20mm，其中与主动支架配合处厚度为280mm，与液压阻尼杆配合处厚度为280mm，其结构轮廓可参考图6；

所述锁定器，为近似两长方体拼接形状，其中上端长方体底面弧度与整流罩内侧弧度一致，顶面形状满足液压阻尼杆锁定位置形状。锁定器最大宽度510mm，最大长度1000mm，最大高度406.26mm，使用M48螺栓固定，其结构轮廓可参考图7；

所述着陆缓冲器支架，其结构轮廓可参考图8，上部圆柱体与从动支架金属板配合，直径为200mm，厚度100mm，下部圆柱体与着陆缓冲器相互配合，外部直径为300mm，内部直径为100mm，厚度100mm，两圆心垂直距离450mm，连接部分厚度50mm。其中包含一个直径为20mm的配合用小孔，距离上部圆柱体圆心170mm；

所述着陆缓冲器为球体切除两端的形状，其结构轮廓可参考图9，其采用复合结构内部钛合金蜂窝芯构造，球体直径700mm，宽度为450mm，两侧各有一个直径为300mm，深度100mm的柱状孔洞，中央有直径为100mm的孔，并以此与缓冲器支架及从动支架金属板配合；

所述爆炸螺栓，其结构轮廓可参考图10，采用QJ2246A-98标准，选择有两套独立的起爆、传爆元件，其中任意一套均能完成分离解锁功能的双元爆炸螺栓M20，承载能力为31～50kN；

所述液压阻尼杆，其结构轮廓可参考图11，头部液压缸长度为1800mm，直径500mm，尾部储油缸长度为1600mm，直径450mm，总的配合长度为3900mm。头尾部关节轴承的底部直径350mm，宽度150mm，高度400mm，外圆弧直径300mm，内孔直径100mm；

所述各杆件之间的连接轴为定制产品，材料为钛合金，根据孔径尺寸制作；

其中，从动支架金属板和整流罩固接件的数量是48个，锁定器和整流罩的固接件数量是16个，阻尼杆用固接件的数量是16个，着陆缓冲器支架和从动支架金属板固接件的数量是8个；

其中，火箭第一子级为非标零件，其材料为铝合金2048，按需要尺寸定做；

其中，传动系统为非标零件，其材料为锻钢，按需要尺寸定做；

其中，传动轴为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，主动支架为非标零件，其材料为铝合金2048，按需要尺寸定做；

其中，从动支架金属板为非标零件，其材料为铝合金2048，按需要尺寸定做；

其中，整流罩为非标零件，其材料为铝合金2048，按需要尺寸定做；

其中，锁定器为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，着陆缓冲器支架为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，着陆缓冲器为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，液压阻尼杆为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，爆炸螺栓为双元爆炸螺栓M20，采用QJ2246A-98标准；

其中，各连接轴为非标零件，其材料为钛合金，按需要尺寸定做；

其中，电机选型YTSZ系列冶金及起重用变频调速三相异步电机YTSZ335L-4，直径为710mm，长度为1580mm，额定转矩2005.5N·m，最大转矩/额定转矩为3.5。

本火箭回收着陆装置的工作原理：

当火箭第一子级返回地球时，主发动机在子级下降段再点火，调整着陆前姿态为垂直下落，下落速度较小，双元爆炸螺栓任一起爆元件工作后，从动支架单元开始下落，支架打开，支架通过锁定器完成在死点位置的固定后，火箭子级接近地面，安全着陆，当支架靠自身打不开时，电机工作，保证其打开。

3、优点及功效

本设计是一种火箭回收着陆机构的设计，具体是为了实现可重复使用火箭子级垂直返回时的着陆支架的设计，采用了安全稳定性更高，缓冲性能更强的四腿式构造，通过在着陆支架中采用内阻式液压阻尼杆和着陆缓冲器的安排，充分达到火箭子级着陆时所需要的缓冲性能。以此方案设计的可重复使用运载火箭着陆支架占用空间适中，缓冲性能优秀，安全性能高，结构简单，成本较低，具有一定的实用价值。

(四)附图说明

图1为本设计一种火箭回收着陆装置收拢和展开的整体结构示意图；

图2为本设计一种火箭回收着陆装置支架整体示意图；

图3为本设计装置电机传动布置图示意图；

图4为本设计装置主动支架轮廓示意图；

图5为本设计装置从动支架整体示意图；

图6为本设计装置从动支架金属板轮廓示意图；

图7为本设计装置锁定器轮廓示意图；

图8为本设计装置着陆缓冲器支架轮廓示意图；

图9为本设计装置着陆缓冲器轮廓示意图；

图10为本设计装置双元爆炸螺栓轮廓示意图；

图11为本设计装置液压阻尼杆轮廓示意图；

图中符号说明如下：

1火箭第一子级；2电机；3电机传动系统；4传动轴；5主动支架；6着陆缓冲器；7着陆缓冲器支架；8从动支架金属板；9整流罩；10锁定器；11液压阻尼杆。

(五)具体实施方式

以下结合附图详细说明本设计的实施方案。

见图2，本设计一种火箭回收着陆装置，它是由火箭子级、主动支架、从动支架、液压阻尼杆四个部分组成，其中火箭子级包括：火箭第一子级1、电机2、电机传动系统3三个部分；主动支架包括：传动轴4、主动支架5两个部分；从动支架包括：缓冲器6、缓冲器支架7、从动支架金属板两块8、整流罩9、锁定器10等部分，液压阻尼杆11自身单独作为一个部分，四个部分组成了一个曲柄机构，其中火箭子级为机架，主动支架为曲柄。

它们之间的位置连接关系是：首先固定火箭第一子级1，电机2与电机传动系统3布置在火箭子级内部，之后通过转动轴将液压阻尼杆11和主动支架5的一端分别固定在火箭第一子级1的支架储仓内部，采用辅助器械使其保持一定的角度，同时将两片从动支架金属板8与整流罩9通过连接螺栓固定成一个整体，将着陆缓冲器6与着陆缓冲器支架7连接成为一个整体，然后将锁定器10与着陆缓冲器一起与从动支架金属板和整流罩整体连接，形成完整的从动支架部件，再将从动支架依靠转动轴连接在液压阻尼杆11和主动支架5的另一端，通过辅助器械将着陆支架收起到锁定位置，在锁定器10上端与火箭第一子级1之间安装双元爆炸螺栓即完成单个着陆支架的装配。子级火箭作为着陆支架所搭载的主体，在其下部支架仓位收纳四个由主动支架，从动支架，液压阻尼杆和整流罩等部件组成的着陆支架，火箭底部安装可重复点火的发动机提供推力。具体的连接接触情况可以参考图1(a)支架收拢状态、图1(b)支架展开状态、图2着陆支架所示。

本火箭回收着陆装置的工作流程具体如下：

(1)火箭子级1准备着陆，主发动机在子级下降段再点火，在剩余推进剂的支持下完成减速过程；(2)火箭子级1在主发动机推力下进行减速下降到一定的高度，此时双元爆炸螺栓收到分离解锁信号，开始进行分离解锁工作；(3)双元爆炸螺栓任一起爆元件工作后，彻底分离火箭子级1和从动支架锁定器10，从动支架金属板8、着陆缓冲器支架7、整流罩9、锁定器10、着陆缓冲器6等部件组合成的从动支架单元开始下落，此时火箭子级1收到主发动机推力，加速度垂直方向向上，而着陆支架部分失去锁定用双元爆炸螺栓开始在重力作用下进行展开运动；(4)由于着陆支架中的三个主要部分液压阻尼杆、从动支架、主动支架都是对展开过程起积极作用的，故不发生意外支架能够自由展开，当支架部件中遇到特殊情况卡住，则电机2开始工作，通过电机传动系统3将为主动支架5提供扭矩，帮助支架完全展开。(5)支架通过锁定器完成在死点位置的固定后，火箭子级接近地面，此时主发动机进行调速，将下落速度维持在5m/s，完成着陆。

Claims (8)

1.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：它是由火箭子级、主动支架、从动支架、液压阻尼杆四个部分组成，其中火箭子级包括：火箭第一子级、电机、电机传动系统三个部分；主动支架包括：传动轴、主动支架两个部分；从动支架包括：缓冲器、缓冲器支架、从动支架金属板两块、整流罩、锁定器，液压阻尼杆自身单独作为一个部分，四个部分组成了一个曲柄机构，其中火箭子级为机架，主动支架为曲柄；它们之间的位置连接关系是：首先固定火箭第一子级，电机与电机传动系统布置在火箭子级内部，之后通过转动轴将液压阻尼杆和主动支架的一端分别固定在火箭第一子级的支架储仓内部，采用辅助器械使其保持一定的角度，同时将两片从动支架金属板与整流罩通过连接螺栓固定成一个整体，将着陆缓冲器与着陆缓冲器支架连接成为一个整体，然后将锁定器与着陆缓冲器一起与从动支架金属板和整流罩整体连接，形成完整的从动支架部件，再将从动支架依靠转动轴连接在液压阻尼杆和主动支架的另一端，通过辅助器械将着陆支架收起到锁定位置，在锁定器上端与火箭第一子级之间安装双元爆炸螺栓即完成单个着陆支架的装配。子级火箭作为着陆支架所搭载的主体，在其下部支架仓位收纳四个由主动支架，从动支架，液压阻尼杆和整流罩等部件组成的着陆支架，火箭底部安装可重复点火的发动机提供推力。

2.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：从动支架金属板和整流罩固接件的数量是48个，锁定器和整流罩的固接件数量是16个，阻尼杆用固接件的数量是16个，着陆缓冲器支架和从动支架金属板固接件的数量是8个。

3.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：火箭子级、主动支架、从动支架、液压阻尼杆四个部分组成曲柄机构，其中火箭子级为机架，主动支架为曲柄。

4.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：着陆支架的锁定应用曲柄机构的死点位置进行锁定，且用锁定器卡住支架自然展开至死点位置时的液压阻尼杆，使形成的死点位置稳定。

5.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：将整流罩作为曲柄机构的一部分，且结构可以收缩入箭体，只保留整流罩在外部，用于保证火箭的气动外形及保护内部支架结构。

6.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：用液压阻尼杆缓冲着陆冲击，保证安全稳定着陆。

7.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：着陆缓冲器采用蜂窝芯构造构造，进一步保护着陆瞬间的冲击。

8.一种火箭回收着陆装置，其特征在于：采用四腿机构，即四支架支撑，保证着陆稳定性。