CN107914898A - 一种运载火箭子级回收保护着陆机构、装置和工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运载火箭子级回收保护着陆机构、装置和工作流程；其中，所述回收保护着陆机构，包括：充气机构、缓冲气囊和保护气囊；缓冲气囊，包括：外囊和内囊；内囊，包括：龙骨气囊和垫高气囊；缓冲气囊设置在保护气囊的下方；保护气囊与内囊联通；龙骨气囊与垫高气囊内部联通；垫高气囊上设置有第一进气口，保护气囊上设置有第二进气口；充气机构分别通过第一进气口和第二进气口对内囊和保护气囊同时充气；外囊上设置有至少一个单向进气阀和至少一个排气口；各排气口上安装有爆破膜。本发明在一定的质量约束条件下，有效降低了箭体在回收着陆前的竖直方向速度和水平方向速度，对箭体进行全方位保护，达到安全回收子级的目的。

Description

一种运载火箭子级回收保护着陆机构、装置和工作流程

技术领域

本发明属于运载火箭总体设计技术领域，尤其涉及一种运载火箭子级回收保护着陆机构、装置和工作流程。

背景技术

重复使用运载火箭不仅可以降低发射成本，还可以省去一次性运载火箭多发生产时间，提高发射频率，重复使用技术是未来运载火箭的发展方向之一，运载火箭子级回收着陆技术是重复使用运载火箭的关键技术。

重复使用运载火箭子级在回收着陆前存在一定的竖直方向速度和水平方向速度，若无缓冲着陆装置，箭体结构和发动机会因受到较大的着陆冲击过载而损坏。为使运载火箭子级处于相对较良好的着陆冲击环境中，采用合适的着陆缓冲装置是非常有必要的。

目前，通常采用的运载火箭子级的回收方式为：伞降回收或带着落支架的垂直回收方案。降落伞和着陆支架均安装在运载火箭子级上，增加了运载火箭子级的重量、降低了运载火箭子级的有效载荷，而且较大程度的改变了火箭气动外形，增加了飞行中的风险。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种运载火箭子级回收保护着陆机构、装置和工作流程，在一定的质量约束条件下，有效降低运载火箭子级在回收着陆前的竖直方向速度和水平方向速度，从而降低箭体结构和发动机承受的着陆冲击过载，对运载火箭子级进行全方位保护，达到安全回收运载火箭的目的。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种运载火箭子级回收保护着陆机构，包括：充气机构、缓冲气囊和保护气囊；其中，所述缓冲气囊，包括：外囊和内囊；所述内囊，包括：龙骨气囊和垫高气囊；

缓冲气囊设置在保护气囊的下方；

保护气囊与内囊联通；龙骨气囊与垫高气囊内部联通；

垫高气囊上设置有第一进气口，保护气囊上设置有第二进气口；充气机构分别通过所述第一进气口和第二进气口对所述内囊和保护气囊同时充气；

外囊上设置有至少一个单向进气阀和至少一个排气口；各排气口上安装有爆破膜。

在上述运载火箭子级回收保护着陆机构中，所述缓冲气囊为：梯形或圆柱形。

在上述运载火箭子级回收保护着陆机构中，所述保护气囊为：全向式环形封闭气囊。

在上述运载火箭子级回收保护着陆机构中，所述充气机构，包括：高压气瓶和充气管路；

高压气瓶通过充气管路分别与所述第一进气口和第二进气联通。

在上述运载火箭子级回收保护着陆机构中，

所述至少一个单向进气阀为两个；其中，所述两个单向进气阀设置在所述外囊的底部；

所述至少一个排气口为四个；其中，所述四个排气口两两对称设置在所述外囊的左右两侧。

在上述运载火箭子级回收保护着陆机构中，所述四个排气口等直径，直径为：10cm。

相应的，本发明还公开了一种运载火箭子级回收保护着陆系统，包括：箭体和至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构；其中，所述至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构按照设定间距安装在所述箭体上。

在上述运载火箭子级回收保护着陆系统中，

在贮存状态，至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构呈包装状态贮存于箭体的气囊舱和保护罩中。

相应的，本发明还公开了一种运载火箭子级回收保护着陆系统的工作流程，包括：

通过充气机构，对内囊和保护气囊同时充气；

充气后的内囊和保护气囊分别顶开箭体上的气囊舱的囊舱盖和箭体上的保护罩；

外囊在内囊的作用下自由伸展，通过单向进气阀自充气；并在运载火箭子级着陆前完全充满；

在运载火箭子级着陆过程中，当外囊内的压力达到排气口上安装的爆破膜的爆破压力时，爆破膜冲开，运载火箭子级在外囊缓冲作用下着陆；

当运载火箭子级着陆至预设高度时，垫高气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起，完成运载火箭子级着陆；其中，若运载火箭子级发生侧翻，保护气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种运载火箭子级回收保护着陆方案，采用充气式气囊的保护着陆机构，实现对子级的着陆回收，具有质量轻、可折叠、缓冲性能优越和经济实用等优点，在一定的回收装置质量约束条件下，有效降低运载火箭在回收着陆前的竖直方向速度和水平方向速度，从而降低箭体结构和发动机承受的着陆冲击过载，对运载火箭进行全方位保护，达到安全回收运载火箭的目的。

(2)本发明提出了自充气式气囊方案，通过对龙骨气囊充气，支撑整个外囊展开成梯形构型，外囊通过单向充气阀吸收外部空气，在较短时间内，外部空气气压和外囊内部气压可达到平衡，在着陆缓冲过程中，外囊内部受压达到一定压力后，装在排气口上的爆破膜破裂，气体从排气口排出，通过这种延长着陆时间的方式实现对箭体进行着陆缓冲，使得着陆回收方案的缓冲着陆性能最优，箭体着陆冲击过载最小，箭体结构和发动机允许承载的范围之内；且，自充气方式省去了给外囊充气的高压气瓶，可有效减轻回收装置重量，同时简化了回收着陆方案的工作程序，提高了运载火箭的可靠性。

(3)本发明提出的环形保护气囊方案，该保护气囊与内囊相连通，可对保护气囊和内囊同时充气，充气完成后可实现对运载火箭的侧翻保护，无论箭体以何种姿态侧翻，发生侧翻将由保护气囊将其垫起，防止运载火箭直接触地。

附图说明

图1是本发明实施例中一种运载火箭子级回收保护着陆机构的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种缓冲气囊的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种外囊的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种内囊的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种保护气囊的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种内囊与保护气囊的连接结构示意图；

图7是本发明实施例中一种最大过载与排气口面积和爆破气压的关系仿真示意图；

图8是本发明实施例中一种运载火箭子级回收保护着陆系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种运载火箭子级回收保护着陆机构的结构示意图。参照图2，示出了本发明实施例中一种缓冲气囊的结构示意图。参照图3，示出了本发明实施例中一种外囊的结构示意图。参照图4，示出了本发明实施例中一种内囊的结构示意图。参照图5，示出了本发明实施例中一种保护气囊的结构示意图。参照图6，示出了本发明实施例中一种内囊与保护气囊的连接结构示意图。如图1-6，所述运载火箭子级回收保护着陆机构100，包括：充气机构1、缓冲气囊2和保护气囊3。其中，所述缓冲气囊2，包括：外囊21和内囊22。所述内囊22，包括：龙骨气囊221和垫高气囊222。

在本实施例中，缓冲气囊2设置在保护气囊3的下方。保护气囊3与内囊22联通；龙骨气囊221与垫高气囊222内部联通。垫高气囊222上设置有第一进气口41，保护气囊3上设置有第二进气口42。充气机构1分别通过所述第一进气口41和第二进气口42对所述内囊21和保护气囊3同时充气。外囊21上设置有至少一个单向进气阀51和至少一个排气口52；各排气口上安装有爆破膜53。

优选的，所述缓冲气囊为：梯形或圆柱形。在本实施例中，根据缓冲气囊的受载情况，采用垂直布局方式，设计了气体受压后可进行有效缓冲的结构形式，主要有梯形或圆柱形两种外形。圆柱形缓冲气囊与梯形缓冲气囊相比较，梯形缓冲气囊的接触面积更大，缓冲过程过载更小，缓冲效果更好，且不易发生侧翻。而圆柱形缓冲气囊更易加工。K-1运载火箭的二级运载器采用垂直布局的圆柱形缓冲气囊是因为圆柱形缓冲气囊更适用于其尾部的圆台状结构，而我国的运载火箭不存在这样的结构。综合考虑梯形缓冲气囊的有效缓冲距离短、需要的缓冲气囊数量少、且重量相对较轻。因此，运载火箭的缓冲气囊采用垂直布局的梯形气囊外形。

优选的，所述保护气囊为：全向式环形封闭气囊。在本实施例中，运载火箭为长细体的结构形式，存在水平速度的情况下，在着陆缓冲过程中很可能发生翻转。由于气囊系统均较为柔软，难以在水平方向形成支点对运载火箭进行减速，在一子级侧翻过程中可能发生转动的同时，也会沿着气囊表面发生滚动。因此，缓冲气囊不能完全防止一子级的侧翻后直接触地，采用全向式环形封闭气囊作为保护气囊，全方位保护一子级。

优选的，所述充气机构，包括：高压气瓶和充气管路。其中，高压气瓶通过充气管路分别与所述第一进气口和第二进气联通。

优选的，外囊上设置的至少一个单向进气阀可以为两个；其中，所述两个单向进气阀设置在所述外囊的底部。外囊上设置的至少一个排气口可以为四个；其中，所述四个排气口两两对称设置在所述外囊的左右两侧。进一步，所述四个排气口等直径，直径可以为：10cm。

其中，需要说明的是，在本实施例中，外囊(缓冲气囊)设计成梯形构型，通过对内囊的龙骨气囊充气，支撑整个外囊展开成梯形构型，外囊通过单向进气阀完成从外部环境吸收空气。采用自吸气式外囊需要增加龙骨气囊的重量，减少的是给外囊充气的高压气瓶及管路重量。通过对比，龙骨气囊增加的重量比给外囊充气的高压气瓶及管路重量轻，因此，采用自吸气式外囊可减轻回收装置的重量。

此外，内囊的龙骨气囊和垫高气囊，以及保护气囊设计成一体式气囊，以方便充气。运载火箭前部和后部的跨度较大，前后两组内囊和保护气囊采用独立的充气装置。每套充气装置需为对应的垫高气囊、龙骨气囊和保护气囊充气。考虑到各个气囊的安装固定位置有所差异的问题，龙骨气囊和垫高气囊内部联通，通过一个进气口充气，保护气囊通过另一个进气口充气。

在本实施例中，参照图7，示出了本发明实施例中一种最大过载与排气口面积和爆破气压的关系仿真示意图。在运载火箭着陆过程中，缓冲作用最大的为外囊，外囊通过排气口排气实现对运载火箭的减速，爆破压力和排气口面积为排气的两个重要参数，需要对这两个参数进行优化，以达到缓冲性能最优的目的。设计一系列的排气口面积参数和一系列的爆破压力参数，开展运载火箭着陆缓冲过程仿真分析，得到过载数据后，采用径向基函数法拟合一个关于目标函数与设计变量的近似函数关系，绘制成双变量曲面。如图7所示，从图中可知气囊爆破气压对最大着陆冲击过载的影响不明显，排气孔面积的大小则起着较重要的作用。最大过载随着排气孔面积系数的增加表现为先减小后增大的变化过程。最优排气口面积参数约为原排气口面积的0.7，爆破压力约为110kPa。

在上述实施例的基础上，参照图8，示出了本发明实施例中一种运载火箭子级回收保护着陆系统的结构示意图。在本实施例中，所述运载火箭子级回收保护着陆系统，包括：箭体200和至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构100。其中，所述至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构按照设定间距安装在所述箭体上。在贮存状态，至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构呈包装状态贮存于箭体的气囊舱和保护罩中。

优选的，根据安装要求和安全空间，两组运载火箭子级回收保护着陆机构可以采用前后两组布局或前中后三组布局形式，在两种总体布局均能满足过载指标要求的情况下，两组运载火箭子级回收保护着陆机构的布局质量更轻，工作程序相对简单，为首选方案。

其中，缓冲气囊的最大压力的计算公式为：式中：ΔP表示缓冲气囊的囊内最大压力，S表示缓冲气囊和箭体的最大接触面积投影，N表示缓冲气囊的组数，m表示箭体的重量，n表示过载。

在一实际应用中，根据上述式(1)可得：采用两组运载火箭子级回收保护着陆机构布局时最大压力为18302Pa，采用三组两组运载火箭子级回收保护着陆机构布局时最大压力为12201Pa。

当外囊内压力达到预定值时，安装在外囊排气口上的爆破膜被冲开，外囊开始向外排气。从安全性考虑，其最大工作压差取的1.2倍安全系数，按照刚性薄壳体应力分析，圆周向力T和径向力F为：

两组运载火箭子级回收保护着陆机构布局时：T＝2F＝79468N/m＝3973N/5cm。

三组两组运载火箭子级回收保护着陆机构布局时缓冲气囊布局时：T＝2F＝52946N/m＝2649N/5cm。

可见，材料的强度能够满足运载火箭子级回收保护着陆机构布局需求，同时可以一定程度上降低回收装置的重量。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种运载火箭子级回收保护着陆系统的工作流程，包括：通过充气机构，对内囊和保护气囊同时充气；充气后的内囊和保护气囊分别顶开箭体上的气囊舱的囊舱盖和箭体上的保护罩；外囊在内囊的作用下自由伸展，通过单向进气阀自充气；并在运载火箭子级着陆前完全充满；在运载火箭子级着陆过程中，当外囊内的压力达到排气口上安装的爆破膜的爆破压力时，爆破膜冲开，运载火箭子级在外囊缓冲作用下着陆；当运载火箭子级着陆至预设高度时，垫高气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起，完成运载火箭子级着陆；其中，若运载火箭子级发生侧翻，保护气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起。

综上所述，本发明公开了一种运载火箭子级回收保护着陆方案，采用充气式气囊的保护着陆机构，实现对子级的着陆回收，具有质量轻、可折叠、缓冲性能优越和经济实用等优点，在一定的回收装置质量约束条件下，有效降低运载火箭在回收着陆前的竖直方向速度和水平方向速度，从而降低箭体结构和发动机承受的着陆冲击过载，对运载火箭进行全方位保护，达到安全回收运载火箭的目的。

其次，本发明提出了自充气式气囊方案，通过对龙骨气囊充气，支撑整个外囊展开成梯形构型，外囊通过单向充气阀吸收外部空气，在较短时间内，外部空气气压和外囊内部气压可达到平衡，在着陆缓冲过程中，外囊内部受压达到一定压力后，装在排气口上的爆破膜破裂，气体从排气口排出，通过这种延长着陆时间的方式实现对箭体进行着陆缓冲，使得着陆回收方案的缓冲着陆性能最优，箭体着陆冲击过载最小，箭体结构和发动机允许承载的范围之内；且，自充气方式省去了给外囊充气的高压气瓶，可有效减轻回收装置重量，同时简化了回收着陆方案的工作程序，提高了运载火箭的可靠性。

此外，本发明提出的环形保护气囊方案，该保护气囊与内囊相连通，可对保护气囊和内囊同时充气，充气完成后可实现对运载火箭的侧翻保护，无论箭体以何种姿态侧翻，发生侧翻将由保护气囊将其垫起，防止运载火箭直接触地。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种运载火箭子级回收保护着陆机构，其特征在于，包括：充气机构、缓冲气囊和保护气囊；其中，所述缓冲气囊，包括：外囊和内囊；所述内囊，包括：龙骨气囊和垫高气囊；

缓冲气囊设置在保护气囊的下方；

保护气囊与内囊联通；龙骨气囊与垫高气囊内部联通；

垫高气囊上设置有第一进气口，保护气囊上设置有第二进气口；充气机构分别通过所述第一进气口和第二进气口对所述内囊和保护气囊同时充气；

外囊上设置有至少一个单向进气阀和至少一个排气口；各排气口上安装有爆破膜。

2.根据权利要求1所述的运载火箭子级回收保护装置，其特征在于，所述缓冲气囊为：梯形或圆柱形。

3.根据权利要求1所述的运载火箭子级回收保护装置，其特征在于，所述保护气囊为：全向式环形封闭气囊。

4.根据权利要求1所述的运载火箭子级回收保护装置，其特征在于，所述充气机构，包括：高压气瓶和充气管路；

高压气瓶通过充气管路分别与所述第一进气口和第二进气联通。

5.根据权利要求1所述的运载火箭子级回收保护装置，其特征在于，

所述至少一个单向进气阀为两个；其中，所述两个单向进气阀设置在所述外囊的底部；

所述至少一个排气口为四个；其中，所述四个排气口两两对称设置在所述外囊的左右两侧。

6.根据权利要求5所述的运载火箭子级回收保护装置，其特征在于，所述四个排气口等直径，直径为：10cm。

7.一种运载火箭子级回收保护着陆系统，其特征在于，包括：箭体和至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构；其中，所述至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构按照设定间距安装在所述箭体上。

8.根据权利要求7所述的运载火箭子级回收保护着陆系统，其特征在于，

在贮存状态，至少两组运载火箭子级回收保护着陆机构呈包装状态贮存于箭体的气囊舱和保护罩中。

9.一种运载火箭子级回收保护着陆系统的工作流程，其特征在于，包括：

通过充气机构，对内囊和保护气囊同时充气；

充气后的内囊和保护气囊分别顶开箭体上的气囊舱的囊舱盖和箭体上的保护罩；

外囊在内囊的作用下自由伸展，通过单向进气阀自充气；并在运载火箭子级着陆前完全充满；

在运载火箭子级着陆过程中，当外囊内的压力达到排气口上安装的爆破膜的爆破压力时，爆破膜冲开，运载火箭子级在外囊缓冲作用下着陆；

当运载火箭子级着陆至预设高度时，垫高气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起，完成运载火箭子级着陆；其中，若运载火箭子级发生侧翻，保护气囊接触地面并开始压缩，以将运载火箭子级垫起。