CN110733669B - 航天器返回舱质心动态调整装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天器返回舱质心动态调整装置，包括：环形滑轨单元(1)，设置在所述返回舱底部；调节模块(2)，滑动安装在所述环形滑轨单元(1)上；驱动装置，安装在所述调节模块(2)上，用于驱动所述调节模块(2)在所述环形滑轨单元(1)上的滑动来调节所述返回舱质心位置。本发明能够实现返回舱在返回再入时对质心位置的动态调配，具有较高的应用价值，可应用于航天器返回舱质心控制。

Description

航天器返回舱质心动态调整装置
技术领域
本发明涉及航天领域，尤其涉及一种航天器返回舱质心动态调整装置。
背景技术
航天器的返回再入技术是航天领域的关键技术之一。返回舱返回再入大气层时，受到空气摩擦而产生相应的减速升力，可通过姿控系统调整倾侧角即升力方向，改变升力在竖直平面及水平面的投影分量，从而对纵向及横向航程进行控制，使返回舱着陆达到一定的着陆精度。在固定的气动外形设计下，航天器返回舱质心位置的变化不仅影响返回舱配平攻角、阻力特性、升阻比等静态气动特性，而且影响返回舱俯仰、偏航动稳定性等动态气动特性，返回舱质心的精准配置是决定返回舱安全、准确再入返回的关键因素。
航天器返回舱返回再入时重量分为两部分，一部分为固定位置、固定质量的平台结构和设备重量，另一部分为航天员和乘员物品、消耗品、载荷货物、推进剂等可移动或重量变化的物资重量。前者是返回舱质心控制的确定基础，在设计阶段进行；后者是返回舱质心控制的不确定因素，每次任务、各个阶段都发生变化，影响返回舱质心位置的精准控制。例如，美国SpaceX公司的货运版龙飞船在执行国际空间站物资补给任务时，其单次任务下行载荷最小为600kg，最大为2450kg。1t的可移动或重量变化的物资重量每横向偏移100mm，就能导致返回舱质心横向变化14.3mm，极易导致返回舱质心超出配置许用范围。为保障返回舱质心在返回再入时在质心配置许用范围内的理想位置，一是航天器在发射前的返回舱总装时，通过质心测量计算、配重块调整配平来保障返回舱具有可知的质心计算基本条件，二是航天器在轨时，通过对可移动或重量变化物资的配套控制、质量称重、安装位置控制与计算等手段来保障返回舱的质心变化可控、位置计算准确。但由于称重误差、安装误差、累计误差以及其他不确定因素，返回舱返回再入时的实际质心位置可能超出质心配置许用范围。可移动或重量变化物资的数量越大，可能性越大。而返回舱一般不具备在轨整舱质心调整能力，出现该问题时，无法预知和挽救。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种航天器返回舱质心动态调整装置。
为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器返回舱质心动态调整装置，包括：
环形滑轨单元，设置在所述返回舱底部；
调节模块，滑动安装在所述环形滑轨单元上；
驱动装置，安装在所述调节模块上，用于驱动所述调节模块在所述环形滑轨单元上的滑动来调节所述返回舱质心位置。
根据本发明的一个方面，还包括安装在所述返回舱底部的空心环形支承管；
所述环形滑轨单元设置在所述空心环形支承管内部。
根据本发明的一个方面，所述环形滑轨单元包括同轴设置的第一滑轨和第二滑轨。
根据本发明的一个方面，所述第一滑轨和所述第二滑轨处于同一平面，且所述第二滑轨的直径小于所述第一滑轨的直径。
根据本发明的一个方面，所述第二滑轨与所述第一滑轨的直径相同；
所述第一滑轨位于所述第二滑轨的正上方。
根据本发明的一个方面，所述调节模块包括至少两个同时与所述第一滑轨和所述第二滑轨滑动连接的重块；
所述重块的材质为铅。
根据本发明的一个方面，所述重块为圆柱体，并绕着其径向中心线弯曲；
所述重块的弯曲度适应于所述第一滑轨和所述第二滑轨。
根据本发明的一个方面，所述驱动装置包括安装在所述重块上的电机以及与所述电机输出端连接的齿轮。
根据本发明的一个方面，所述第一滑轨和/或所述第二滑轨设有与所述驱动装置中的齿轮配合的齿。
根据本发明的一个方案，返回舱底部设置的环形滑轨单元包含了同轴设置的第一、第二滑轨，并且两个大密度铅制重块由电机驱动可在两滑轨上滑动，来对返回舱质心进行动态调整，能够实现返回舱在返回再入时对质心位置的动态调配，具有较高的应用价值，可应用于航天器返回舱质心控制。
根据本发明的一个方案，返回舱底部设置的环形滑轨单元包含了同轴设置的第一、第二滑轨，相较于单一滑轨，可使得重块的周向滑动更加稳定，不易产生震动。
根据本发明的一个方案，重块与滑轨采用齿啮合的方式可使得质心调节更加精确，并且可根据需求任意设置调节精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示本发明的一种实施方式的航天器返回舱质心动态调整装置的结构图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的航天器返回舱质心动态调整装置的计算示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示本发明的一种实施方式的航天器返回舱质心动态调整装置的结构图。如图1所示，本发明的航天器返回舱质心动态调整装置，包括：环形滑轨单元1、调节模块2、驱动装置(图中未示出)和空心环形支承管(图中未示出)。返回舱一般为如图1所示的锥形、钝头体结构，受空间尺寸约束，本装置应布置在返回舱底部离返回舱质心最远的位置，可最大能力的解决返回舱质心超出许用范围的问题，并可将其调整至理想的质心位置。
根据本发明的一种实施方式，环形滑轨单元1包括第一滑轨101和第二滑轨102。空心环形支承管安装在返回舱内部底部。第一滑轨101和第二滑轨102均为圆形滑轨，并同轴设置在空心环形支承管内部。在本实施方式中，第一滑轨101和第二滑轨102处于同一平面，且第二滑轨102的直径小于第一滑轨101的直径。
根据本发明的一种实施方式，调节模块2包括两个重块201，均同时与第一滑轨101和第二滑轨102连接，并可沿两滑轨周向滑动。如图1所示，在本实施方式中，重块201材料为铅，外形为圆柱体，并绕着其径向中心线弯曲，其弯曲度与两滑轨相同。
根据本发明的一种实施方式，驱动装置包括安装在重块201上的电机以及与电机输出端连接的齿轮。而第一滑轨101和第二滑轨102上也设有与齿轮相配合的齿，以便电机驱动重块201在两滑轨上滑动来调节返回舱质心位置。根据本发明的构思，至少一个滑轨上设有齿即可。
图2示意性表示本发明的一种实施方式的航天器返回舱质心动态调整装置的计算示意图。如图2所示，以“猎户座”载人飞船返回舱为例，说明本发明装置的计算原理。在本实施方式中，假设载人飞船返回舱质量为9000kg；重块201直径为200mm，长度为300mm，质量为100kg，旋转直径为3800mm；空心环形支承管管径为220mm。按上述设置的质心调整装置的质心调节范围为Φ42mm。设本发明航天器返回舱质心动态调整装置中的两个重块201的初始位置为A和B，两者对称布置。设返回舱返回再入时初始气动精测质心为O(x,0,0)，而理想的质心位置为O'(x,14.7mm,8.5mm)，其中假设X方向返回舱质心高度与质心动态调整装置高度一致。
本发明返回舱质心动态调整计算方法：连接OO'，划直线A'B'垂直于OO'的延长线，其中OT为垂足，OOT长度＝OO'长度×3800mm/42mm＝1540mm，A'、B'为A'B'与Φ3800mm的交点，即重块201的目标移动位置，其中θ1为84°、θ1为24°、AA'弧长2785mm、BB'弧长796mm，即A位置重块201顺时针移动2795mm、B位置重块201逆时针移动796mm，可将返回舱质心位置由O(x,0,0)调整至O'(x,14.7mm,8.5mm)。
根据本发明的构思，重块201不局限于上述实施方式中仅设置两个，还可根据需要设置多个；并且重块201的质量也可上调为200kg，此时最大调整能力变为50mm。而由于重块201为弯曲的圆柱体，则第一滑轨101和第二滑轨102也可不设在同一平面，可将两滑轨设为相同直径，而其中一条滑轨同轴布置在另一条滑轨的正上方，例如将第一滑轨101设置在第二滑轨102的正上方，也可实现本发明的质心调整功能。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，包括：
环形滑轨单元（1），设置在所述返回舱底部；
调节模块（2），滑动安装在所述环形滑轨单元（1）上；
驱动装置，安装在所述调节模块（2）上，用于驱动所述调节模块（2）在所述环形滑轨单元（1）上的滑动来调节所述返回舱质心位置；
所述环形滑轨单元（1）包括同轴设置的第一滑轨（101）和第二滑轨（102），所述调节模块（2）包括至少两个同时与所述第一滑轨（101）和所述第二滑轨（102）滑动连接的重块（201）；
所述驱动装置包括安装在所述重块（201）上的电机以及与所述电机的输出端连接的齿轮；
所述第一滑轨（101）和/或所述第二滑轨（102）设有与所述驱动装置中的齿轮配合的齿。
2.根据权利要求1所述的航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，还包括安装在所述返回舱底部的空心环形支承管；
所述环形滑轨单元（1）设置在所述空心环形支承管内部。
3.根据权利要求1所述的航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，所述第一滑轨（101）和所述第二滑轨（102）处于同一平面，且所述第二滑轨（102）的直径小于所述第一滑轨（101）的直径。
4.根据权利要求1所述的航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，所述第二滑轨（102）与所述第一滑轨（101）的直径相同；
所述第一滑轨（101）位于所述第二滑轨（102）的正上方。
5.根据权利要求1所述的航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，所述重块（201）的材质为铅。
6.根据权利要求5所述的航天器返回舱质心动态调整装置，其特征在于，所述重块（201）为圆柱体，并绕着其径向中心线弯曲；
所述重块（201）的弯曲度适应于所述第一滑轨（101）和所述第二滑轨（102）。
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