CN110779399B - 一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置及方法 - Google Patents

一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置及方法，用于伞降回收的运载火箭一子级箭体(1)实现垂挂转换，包括：垂挂阻尼器(2)、短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)。垂挂阻尼器(2)安装在箭体级间段(5)内，通过转接结构(6)连接到箭体承力结构上；短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；连接长(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；本发明能够平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。

Description

一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置 及方法
技术领域
本发明涉及一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置及方法，属于航天器返回减速着陆技术领域。
背景技术
国内外目前还未有带有缓冲的运载火箭子级伞降回收垂挂转换技术的实现及验证。国内有神舟飞船采用的以钢丝绳为主要承载结构由单点受力转为双点受力的垂挂转换实现，但是其产品结构形式和垂挂转换载荷是不能满足运载火箭箭体承载要求的。主要原因是相比较于神舟飞船返回舱，运载火箭箭体具有更大的回收重量和长细比，更大的无缓冲垂挂转换载荷，但箭体整体的结构强度和刚度均比返回舱小，是不能满足承载需求的。
对伞降回收的运载火箭子级初始呈竖直姿态下落，若不进行垂挂转换，由于发动机喷管先着陆，将无法采取缓冲装置进行着陆缓冲。同时由于竖直着陆的箭体质心位置较高，会产生很大的倾倒风险造成箭体损伤，从而导致无法实现一子级的回收和重复使用。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭箭体垂挂转换装置及方法，能够解决大载重，大长细比，低垂挂转换载荷的伞降运载火箭一子级的垂挂转换问题。
本发明解决的技术方案为：一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，包括：垂挂阻尼器(2)、短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)；垂挂阻尼器(2)安装在箭体级间段(5)内，通过转接结构(6)连接到箭体承力结构上；
短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；连接长垂挂吊索(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，如图2所示，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(3)内。当进行垂挂转换时(即运载火箭箭体由垂直转为水平时)，如图3所示，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，如图4所示，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
优选的，进行垂挂转换使运载火箭箭体由垂直吊挂转为水平吊挂。
优选的，长吊索呈折叠包装状态是指：长吊索通过折叠，缩短长垂挂吊索的长度，呈折叠状，并固定折叠部分。
优选的，长垂挂吊索从初始状态转换为拉直状态，是指：长垂挂吊索从折叠状完全展开拉直，呈拉直状。
优选的，短垂挂吊索与长垂挂吊索展开拉直后的设计长度，应能确保连接的降落伞接头的铅垂方向能够通过水平状态运载火箭一子级箭体的质心。
优选的，降落伞，包括伞衣、多根散绳和吊带，多根散绳的一端分别连接伞衣，多根散绳的另一端聚在一起连接吊带，吊带连接降落伞接头。
优选的，火箭一子级箭体包括：级间段(3)、储箱段、发动机段；
级间段(3)、储箱段、发动机段依次从上到下连接，级间段(3)位于运载火箭一、二子级之间，火箭发射过程中一子级工作结束后级间段与二子级分离，安装有级间段的一子级下落。
优选的，垂挂转换时，能量由级间段内的垂挂阻尼器(2)缓冲。
优选的，垂挂阻尼器(2)，包括：筒体结构、内部金属蜂窝缓冲结构，以及支撑转接结构；
内部金属蜂窝缓冲结构设置在筒体结构内，支撑转接结构将筒体结构固定在箭体级间段(3)的承力结构上。
优选的，筒体结构包括上端、上筒、卡箍、下筒、下座；
上端、上筒、卡箍、下筒、下座依次从上到下连接，形成筒体结构，外法兰通过螺钉固定。
优选的，筒体结构起到容纳内部金属蜂窝及内部金属蜂窝压缩导向的作用；
优选的，内部金属蜂窝缓冲结构在进行垂挂转换起缓冲作用。
优选的，内部金属蜂窝缓冲结构，包括：缓冲蜂窝、蜂窝筒和内筒；
缓冲蜂窝和蜂窝筒交替排列形成缓冲组合体，内筒位于缓冲组合体底部。
优选的，缓冲蜂窝的外轮廓为圆柱体，圆柱体内为蜂窝状，圆柱体沿中心轴线设有通孔。
优选的，蜂窝筒为中空圆柱体，圆柱体的两个端面中心设有通孔。
优选的，内筒为中空圆柱体，内筒与缓冲蜂窝和蜂窝筒交替排列形成的缓冲组合体接触的端面中心设有通孔，另一端面上朝向圆柱体内的一侧设有吊点，连接长垂挂吊索的一端。
优选的，蜂窝筒起蜂窝压缩导向作用，内筒底部有吊点，长垂挂吊索连接至其上。
优选的，支撑转接结构，包括：支撑杆、连接杆、转接座；
支撑杆的一端与卡箍通过螺栓连接，支撑杆的另一端与转接座通过螺栓连接；转接座安装在箭体级间段(3)的承力结构上；连接杆的两端分别连接转接座，连接杆的中间与下座连接。
优选的，支撑转接结构起到调节缓冲方向和结构安装连接的作用。
优选的，支撑杆有两根，相对箭体中轴线对称设置。
优选的，长垂挂吊索从垂挂阻尼器(2)上端穿入，经过缓冲蜂窝和蜂窝筒交替排列形成的缓冲组合体以及内筒上的通孔，依次穿过缓冲蜂窝和蜂窝筒交替排列形成的缓冲组合体以及内筒，连接至内筒底部吊点；
经过内部蜂窝中部开孔，连接至内筒底部吊点。垂挂阻尼器对吊索拉力的缓冲过程为：吊索受力拉动内筒底部吊点，内筒向上运动压缩蜂窝结构进行吊索拉力的缓冲；
垂挂阻尼器(2)对长垂挂吊索拉力的缓冲过程为：长垂挂吊索受力拉动内筒底部吊点，内筒向上运动压缩蜂窝结构进行吊索拉力的缓冲。
优选的，一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换方法，步骤如下：
(1)准备短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)、垂挂阻尼器(2)；
(2)将短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；
(3)将长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；
(4)连接长垂挂吊索(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；
(5)在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(3)内；
(6)当进行垂挂转换时，即运载火箭箭体由垂直转为水平时，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)初始的折叠包装状态解除并展开，从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了完整的运载火箭一子级箭体垂挂转换过程关键参数的设置方式，以及更精确的控制过程设计包括吊索初始折叠包装方式和安装状态，产品工作过程与载荷缓冲方式，垂挂转换完成后箭体吊挂效果等，实现了关键参数的定量设计，部组件产品的选用设计，产品接口与性能匹配设计，以及地面试验验证方法和全工作过程的仿真计算与演示；
(2)本发明提出了一种基于金属蜂窝缓冲的阻尼器的产品的具体实现方案，包括垂挂阻尼器产品的结构形式，内部蜂窝、蜂窝筒和内筒的排列方式，转接结构的设计形式和功能，以及阻尼器的工作过程说明，可以依据本发明的说明进行产品设计和相关设计，指导产品研制；
(3)本发明的垂挂转换装置能够进行10t量级运载火箭一子级的垂挂转换，并将箭体所受的垂挂转换载荷控制5g在以内，并且由于金属蜂窝压溃载荷比较稳定，所以提供的缓冲载荷比较平缓，缓冲效率能够达到80％以上，可以使承载结构设计更为优化，解决了运载火箭一子级垂挂转换时载荷过大的问题，满足了现有火箭箭体结构抗冲击限能的要求，为箭体回收和重复使用提供了技术支持。
(4)本发明的产品可以实现重复使用，每次使用前进行阻尼器内的金属蜂窝结构的更换，具有结构形式简单，环境适用性强，可靠性高，成本低等优点。
附图说明
图1为本发明运载火箭一子级伞降回收垂挂转换过程示意图；
图2为运载火箭一子级垂挂转换前初始竖直吊挂姿态示意图；
图3为运载火箭一子级垂挂转换后水平吊挂姿态示意图；
图4为垂挂阻尼器结构形式示意图；
图5为运载火箭一子级垂挂转换前后质心位置示意图；
图6为运载火箭一子级垂挂转换地面试验设置及转换过程仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明实现箭体由竖直下落姿态向水平吊挂姿态的垂挂转换，从而实现水平着陆可以有效降低箭体着陆时的质心高度，提高了着陆稳定性，也有利于箭体缓冲用的气囊类产品的安装布局和产品实现。
本发明的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，用于伞降回收的运载火箭一子级箭体(1)实现垂挂转换，如图2所示，包括：垂挂阻尼器(2)、短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)。垂挂阻尼器(2)安装在箭体级间段(5)内，通过转接结构(6)连接到箭体承力结构上；短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；连接长(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，如图2所示，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(3)内。如图1所示，当进行垂挂转换时(即运载火箭箭体由垂直转为水平时)，如图3所示，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，如图4所示，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
本发明的装置用在伞降回收的运载火箭一子级的垂挂转换环节，可以实现箭体结构由竖直下落姿态转换为水平吊挂姿态。由于箭体结构为薄壁圆筒构型，结构刚度和承载能力有限，又由于箭体长细比较大，由竖直转水平后质心下落距离大导致垂挂转换能量巨大，需要有相应的装置产品在实现箭体垂挂转换的同时也能够缓冲转换能量,从而平缓垂挂装换载荷。本发明针对上述技术需求进行产品研制，根据运载火箭一子级箭体的结构形式，采用阻尼器结构在级间段布局的方式，结合柔性垂挂吊索的折叠包装安装布局，本发明的装置产品实现了对一子级箭体的垂挂转换和载荷缓冲，解决了在一定载荷和过载的要求下的箭体的垂挂转换问题，同时本发明是根据火箭箭体的接口空间和使用条件进行研制的，具有唯一性，不可替代。
本发明相比较于现有的承载能力在十几吨量级的钢丝绳垂挂吊索，本发明中的柔性垂挂吊索，结构承载可以到达50t以上，同时具有良好的柔韧性可以实现小空间折叠包装，300℃以上的耐高温性能可以降低对箭体结构防热的要求；相比较于其他诸如液压、制动等缓冲装置需要复杂结构、良好密封性和较大结构重量的问题，本发明中的垂挂阻尼器采用金属蜂窝缓冲，具有缓冲载荷平缓，缓冲效率高，结构重量轻、无液体泄漏风险等优点，同时产品每次使用可以通过只更换内部蜂窝结构后变可以实现重复使用。本发明的垂挂转换装置的设计约束条件为我国现役长征系列运载火箭和在研系列火箭的通用结构构型和外形尺寸。本发明的垂挂转换装置可以直接应用于基于伞降减速和气囊缓冲的运载火箭一子级回收系统，从而实现箭体竖直吊挂伞降减速到水平吊挂着陆缓冲的姿态转换功能。
本发明的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，用于伞降回收的运载火箭一子级箭体(1)实现垂挂转换，包括：垂挂阻尼器(2)、短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)。垂挂阻尼器(2)安装在箭体级间段(5)内，通过转接结构(6)连接到箭体承力结构上；短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；连接长(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，如图2所示，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(3)内。当进行垂挂转换时(即运载火箭箭体由垂直转为水平时)，如图3所示，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，如图4所示，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
本发明运载火箭一子级箭体垂挂转换是利用金属蜂窝压溃形成一定的缓冲行程和相对恒定的缓冲载荷，结合柔性吊索结构和阻尼器转接结构实现与箭体结构的连接，和通过脱伞器火工装置实现降落伞吊点的转换，最终实现箭体由竖直吊挂——吊点解锁分离——柔性吊索拉出箭体姿态转水平——阻尼器缓冲载荷——柔性吊索承载箭体水平吊挂的过程。具体设计过程为：首先根据运载火箭一子级的质量特性和转换前后姿态状态进行垂挂转换装置能量控制设计，根据设计能量控制结果进行缓冲器参数设计，最后再完成吊索，阻尼器结构件的结构设计和安装布局。
优选的垂挂转换能量控制设计又分为基于多体动力学控制方式和工程控制方式两种。
1.多体动力学控制方式优选方案如下：
采用多体动力学控制法进行垂挂转换过程设计，计算模型包含3类，箭体采用6自由度刚体模型，垂挂吊索采用弹簧阻尼模型，降落伞采用3自由度质点模型。具体为：
设定箭体模型的优选公式：
Figure BDA0002244957890000081
Figure BDA0002244957890000082
其中：m——箭体质量；vo——质心速度；w——角速度；I——转动惯量；F——外力；T——外力矩。外力和外力矩中包含重力及力矩，吊索力及力矩。
垂挂吊索模型优选公式为：
Figure BDA0002244957890000084
其中：FL——吊索拉力，吊索长度小于原长时拉力为0；K——吊索刚度；xL——吊索两端直线距离；L0——吊索无受力原长；c——吊索阻尼系数。
降落伞模型优选公式为：
Figure BDA0002244957890000083
mca＝emce(5)
其中：Fc——吊索拉力；mc——降落伞质量；mca——降落伞附加质量；e——附加质量系数，一般取2/3；mce——降落伞内包含空气的质量。
可以采用动力学计算软件或是编程实现以上模型，优选在进行计算时要考虑垂挂吊索与模型发生接触时，吊索力作用点位置需变为接触点。采用的垂挂吊索产品，其刚度和阻尼系数通过拉力试验测得。
通过设定垂挂转换前箭体，吊索，降落伞的初始参数，进行垂挂转换过程仿真，仿真演示结果如图6所示。通过仿真计算得到每根吊索上拉力随吊索伸长量变化的曲线，对曲线进行积分得到垂挂转换时吊索的缓冲能量Ei。
Ei＝∫FL dxL (6)
2.工程控制方式优选方案如下：
采用工程控制法进行垂挂转换过程设计，假设降落伞部分为固定吊点形式，箭体垂挂转换后的势能全部由阻尼器缓冲。根据模型垂直吊挂和水平吊挂形式的理论几何尺寸，可以测量出箭体质心下降的距离h，如图所示，则所需缓冲能量Ei为：
Ei＝mgh (7)
其中：m——箭体质量；g——重力加速度；h——垂挂转换前后箭体质心下降的距离。
多体动力学控制法计算的缓冲能量Ei相对准确，工程控制法相对保守保守，但在结构设计裕度允许的情况下，工程控制法简单可靠。
基于计算得到的箭体垂挂转换能量Ei，进行阻尼器参数设计。以金属蜂窝阻尼器为例，设计关键参数主要为：蜂窝结构压溃强度Pi，蜂窝截面积Si，以及压缩长度Li。压溃强度是根据选型产品确定的，蜂窝截面积和压缩长度根据安装空间要求和结构稳定性要求综合设计，设计参数关系如下：
Ei＝PiSi(αLi) (8)
其中：α——压缩损失因子，取70％-80％。
Fi＝PiSi (9)
其中：Fi——缓冲载荷，由箭体结构承载能力确定。
本发明的进一步优选方案为：将长征系列的多级运载火箭的一子级直径优选设置为3.35m，长度优选设置为约15m，级间段长度优选设置为约4m，一子级工作完成后回收重量优选设置为约6.5t，质心偏向发动机端，防热后箭体结构温度优选不超过250℃，垂挂转换对箭体横向过载不超过5。配套的垂挂转换装置为与一子级发动机端承载点连接的长垂挂吊索、与阻尼器连接的短垂挂吊索，以及阻尼器结构。各产品的主要设计参数为：
垂挂吊索的优选方案为：短垂挂吊索优选设置为12m，长垂挂吊索优选设置为15m，均采用高强芳纶纤维编织绳索结构，结构承载优选设置为大于50t，直径优选设置为小于40mm，断裂伸长率优选设置为小于5％，表层包裹有耐高温护套结构和防磨金属护套，可以承受300℃温度和具有良好的防磨性能。短垂挂吊索沿箭体外表面布置，表面覆盖有箭体结构防热层，垂挂转换过程中随短垂挂吊索拉出而拉脱。长垂挂吊索呈垂挂吊索以折叠包装形式(如呈“8”字盘绕)安装在箭体级间段结构内，垂挂转换过程中从级间段内拉出。
阻尼器结构的优选方案为：采用圆柱外形阻尼器结构，总长优选设置为2m，直径优选设置为0.3m，内部选用压溃载荷优选设置为为15t的金属蜂窝缓冲结构填充，有效缓冲形成不小于1.8m。阻尼器结构承载优选设置为大于50t。
上述设计的垂挂转换装置，按照工程控制法一子级箭体垂挂转换过程中的能量控制结果是，阻尼器的缓冲性能优选能够满足一子级箭体由竖直状态转换为水平状态后质心下降不大于4m的条件；如图5所示为运载火箭一子级垂挂转换前后质心位置示意图；如果按照多体动力学控制法，同时考虑降落伞吊带、吊索等柔性系统的缓冲和部分能量转换成箭体摆动的动能，目前的垂挂转换装置的设计的缓冲能力能够一子级箭体垂挂转换后质心下降优选设置为不大于4.8m的条件。箭体受到最大过载为4g。
本发明的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换方法，步骤如下：
(1)准备短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)、垂挂阻尼器(2)；
(2)将短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；
(3)将长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；
(4)连接长垂挂吊索(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；
(5)在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(3)内；
(6)当进行垂挂转换时，即运载火箭箭体由垂直转为水平时，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)初始的折叠包装状态解除并展开，从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
本发明经过实验验证，经过了1:1.5缩比原理样机的地面试验和飞机空中投放试验。一子级缩比箭体模型与真实火箭外形相似，直径2.25m，长11m，重量4t。垂挂转换装置：短垂挂吊索8m，长垂挂吊索10m，承载大于30t，垂挂阻尼器长1.5m，直径0.2m，内部采用8t缓冲蜂窝，有效缓冲形成不小于1.2m。
地面试验具体情况为：采用龙门塔架初始竖直(略倾斜)悬挂模型，模型释放后经垂挂转换装置作用后成水平姿态吊挂在塔架上，试验过程如6所示，试验测量最大缓冲载荷约17t，模型受到过载约4.25。
飞机空中投放试验具体情况为：采用直升机携带模型飞行至预定高度后投放模型，模型在降落伞作用下呈竖直吊挂状态以稳定速度下落，模型按照预定程序进行垂挂转换，转为降落伞水平吊挂模型下落的状态，试验测量最大缓冲载荷约7t，模型受到过载约1.75。
通过缩比原理样机试验表明，垂挂转换装置能够满足运载火箭一子级的安装要求，能够实现箭体伞降状态下的垂挂转换功能，同时载荷满足箭体承受过载的许用条件。
本发明提出了完整的运载火箭一子级箭体垂挂转换过程关键参数的设置方式，以及更精确的控制过程设计包括吊索初始折叠包装方式和安装状态，产品工作过程与载荷缓冲方式，垂挂转换完成后箭体吊挂效果等，实现了关键参数的定量设计，部组件产品的选用设计，产品接口与性能匹配设计，以及地面试验验证方法和全工作过程的仿真计算与演示；本发明提出了一种基于金属蜂窝缓冲的阻尼器的产品的具体实现方案，包括垂挂阻尼器产品的结构形式，内部蜂窝、蜂窝筒和内筒的排列方式，转接结构的设计形式和功能，以及阻尼器的工作过程说明，可以依据本发明的说明进行产品设计和相关设计，指导产品研制；
本发明的垂挂转换装置能够进行10t量级运载火箭一子级的垂挂转换，并将箭体所受的垂挂转换载荷控制5g在以内，并且由于金属蜂窝压溃载荷比较稳定，所以提供的缓冲载荷比较平缓，缓冲效率能够达到80％以上，可以使承载结构设计更为优化，解决了运载火箭一子级垂挂转换时载荷过大的问题，满足了现有火箭箭体结构抗冲击限能的要求，为箭体回收和重复使用提供了技术支持。本发明的垂挂转换装置可以实现重复使用，每次使用前进行阻尼器内的金属蜂窝结构的更换，具有结构形式简单，环境适用性强，可靠性高，成本低等优点。

Claims (9)

1.一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于包括：垂挂阻尼器(2)、短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)；垂挂阻尼器(2)安装在箭体级间段(5)内，通过转接结构(6)连接到箭体承力结构上；
短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；连接长垂挂吊索(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(5)内；当进行垂挂转换时，即运载火箭箭体由垂直转为水平时，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)初始的折叠包装状态解除并展开，从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷；
所述垂挂阻尼器(2)，包括：筒体结构、内部金属蜂窝缓冲结构，以及支撑转接结构；内部金属蜂窝缓冲结构设置在筒体结构内，支撑转接结构将筒体结构固定在箭体级间段(5)的承力结构上；
基于箭体垂挂转换能量Ei，进行垂挂阻尼器参数设计：压溃强度Pi是根据选型产品确定的，蜂窝截面积Si和压缩长度Li根据安装空间要求和结构稳定性要求综合设计，蜂窝结构压溃强度Pi，蜂窝截面积Si，以及压缩长度Li，满足如下关系式：
Ei＝PiSi(αLi)
其中：α——压缩损失因子，取70％—80％；
Fi＝PiSi
其中：Fi——缓冲载荷，由箭体结构承载能力确定。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：进行垂挂转换使运载火箭箭体由垂直吊挂转为水平吊挂。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：长吊索呈折叠包装状态是指：长吊索通过折叠，缩短长垂挂吊索的长度，呈折叠状，并固定折叠部分。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：长垂挂吊索从初始状态转换为拉直状态，是指：长垂挂吊索从折叠状完全展开拉直，呈拉直状。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：短垂挂吊索与长垂挂吊索展开拉直后的设计长度，应能确保连接的降落伞接头的铅垂方向能够通过水平状态运载火箭一子级箭体的质心。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：降落伞，包括伞衣、多根散绳和吊带，多根散绳的一端分别连接伞衣，多根散绳的另一端聚在一起连接吊带，吊带连接降落伞接头。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：火箭一子级箭体包括：级间段(5)、储箱段、发动机段；
级间段(5)、储箱段、发动机段依次从上到下连接，级间段(5)位于运载火箭一、二子级之间，火箭发射过程中一子级工作结束后级间段与二子级分离，安装有级间段的一子级下落。
8.根据权利要求1所述的一种基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置，其特征在于：垂挂转换时，能量由级间段内的垂挂阻尼器(2)缓冲。
9.一种根据权利要求1所述基于金属蜂窝缓冲的运载火箭一子级箭体垂挂转换装置实现的运载火箭一子级箭体垂挂转换方法，其特征在于步骤如下：
(1)准备短垂挂吊索(3)、长垂挂吊索(4)、垂挂阻尼器(2)；
(2)将短垂挂吊索(3)一端连接运载火箭发动机端的承力吊点(7),另一端连接到降落伞接头(8)上；
(3)将长垂挂吊索(4)一端连接垂挂阻尼器(2)，另一端也连接到降落伞接头(8)上；
(4)连接长垂挂吊索(4)、短垂挂吊索(3)的降落伞接头(8)固定连接降落伞吊带(9)；
(5)在运载火箭一子级箭体伞降回收的过程中，箭体(1)初始竖直吊挂在降落伞下，短垂挂吊索(3)初始呈拉直状态在箭体外侧壁沿着箭体纵轴方向安装布置，长垂挂吊索(4)初始呈折叠包装状态，安装在箭体的级间段(5)内；
(6)当进行垂挂转换时，即运载火箭箭体由垂直转为水平时，短垂挂吊索(3)受力后从箭体(1)外侧壁拉起，长垂挂吊索(4)初始的折叠包装状态解除并展开，从级间段(5)拉出，拉直后由垂挂阻尼器(2)进行缓冲，平缓运载火箭一子级箭体在垂挂转换过程中受到的冲击载荷。
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