CN111056049A - 一种运载火箭的姿控喷管布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运载火箭的姿控喷管布局结构，包括：舱体，呈回转体外形；安装支架，设置在舱体内，与舱体的内壁连接；姿控系统，安装在安装支架上；姿控系统包括：贮箱，至少具有三个，且围绕舱体的中心轴线顺次排布；气瓶，位于相邻两个贮箱之间，且远离安装支架的中心；大推力喷管，至少具有三个，围绕舱体的中心周向布置在舱体上，用于沿舱体的径向方向向外喷气；中推力喷管，至少具有四个且两两成对布置，多个中推力喷管水平布置，且成对设置的两个中推力喷管沿大推力喷管的喷气方向对称连接在舱体上，用于沿舱体的斜切方向向外喷气。多个喷管的推力分为几个不同档次，可根据实际飞行需要灵活使用，对箭体姿态控制的精度更高。

Description

一种运载火箭的姿控喷管布局结构

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种运载火箭的姿控喷管布局结构。

背景技术

一般使用运载火箭将卫星等有效载荷送入太空，运载火箭在飞行中会受到各种内外部干扰的影响会偏离理想状态，严重威胁飞行安全，必须对箭体进行姿态控制。

姿控系统产生控制力和力矩，稳定与控制运载火箭绕质心的转动，使俯仰、偏航、滚动姿态角偏差稳定在允许的范围内。目前，姿控系统一般通过多个同一类型的喷管向箭体外喷出高压气体对箭体的反推作用力来对箭体的运行姿态进行调节。

但是，采用单一类型喷管很难稳定地控制箭体的飞行姿态，运载火箭姿控系统的控制精度和控制能力较低，因此需要设计一种箭体姿态控制精度高、控制能力强、结构重量轻、连接可靠性高的运载火箭姿控系统布局及安装结构。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中运载火箭姿控系统的控制精度低、控制能力差的技术问题，从而提供一种运载火箭的姿控喷管布局结构。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种运载火箭的姿控喷管布局结构，包括：

舱体，呈回转体外形；

安装支架，设置在所述舱体内，其外周与所述舱体的内壁连接；

姿控系统，安装在所述安装支架上；所述姿控系统包括：

贮箱，至少具有三个，且围绕所述舱体的中心轴线顺次排布；

气瓶，位于相邻两个所述贮箱之间，且远离所述安装支架中心布置；

大推力喷管，至少具有三个，围绕所述舱体的中心轴线周向且水平布置在所述舱体上，用于沿所述舱体的径向方向向外喷气；

中推力喷管，至少具有四个且两两成对布置，多个所述中推力喷管水平布置，且成对设置的两个所述中推力喷管沿所述大推力喷管的喷气方向对称连接在所述舱体上，用于沿所述舱体的斜切方向向外喷气。

进一步地，所述大推力喷管的推力大于所述中推力喷管的推力。

进一步地，所述姿控系统还包括：

正置小推力喷管，至少具有两个，围绕所述舱体的中心轴线周向且水平布置在所述舱体上，用于沿所述舱体的径向方向向外喷气；

斜置小推力喷管，至少具有四个且两两成对布置，多个所述斜置小推力喷管水平布置，且成对设置的两个所述斜置小推力喷管沿所述大推力喷管的喷气方向对称连接在所述舱体上，用于沿垂直于所述正置小推力喷管的方向向外喷气。

进一步地，所述中推力喷管的推力＞所述正置小推力喷管的推力＝所述斜置小推力喷管的推力。

进一步地，所述大推力喷管和所述中推力喷管连接在所述舱体的上端，所述正置小推力喷管和所述斜置小推力喷管连接在所述舱体的下端、且位于同一高度水平线上。

进一步地，所述中推力喷管和与其距离最近的所述大推力喷管在所述舱体水平方向上的夹角为11.6度；所述斜置小推力喷管和与其距离最近的所述正置小推力喷管在所述舱体水平方向上的夹角为30.5度。

进一步地，所述舱体内壁对应所述中推力喷管、所述正置小推力喷管和所述斜置小推力喷管的位置设有平面结构，所述中推力喷管、所述正置小推力喷管和所述斜置小推力喷管的外壁上均设有用于连接所述平面结构的耳板。

进一步地，所述安装支架包括：

中心筒，沿所述舱体的中心轴线方向延伸；

安装支臂，连接在所述中心筒的上端，具有沿所述舱体径向延伸的至少三个支臂，所述大推力喷管远离所述舱体的一端连接在所述支臂上；

上支板，中心部分连接所述中心筒，外边缘部分连接所述舱体的内壁，用于供多个所述贮箱和多个所述气瓶在其上定位安装。

进一步地，所述上支板连接在中心筒靠近所述安装支臂的一端，所述中心筒远离所述安装支臂的一端的外周还连接有用于为多个所述贮箱和多个所述气瓶提供横向支持的下支板。

进一步地，所述安装支臂的支臂内部设有连通所述中心筒和所述大推力喷管的燃料输送管。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，姿控系统通过安装支架固定在舱体内壁的方式，可以确保姿控系统的连接可靠性；贮箱内贮藏的液态燃料可以为姿控系统提供足够的动力以对舱体的姿态进行调节，而气瓶内贮藏的高压气体的出气速度快，可以实现箭体姿态的快速调节，多个贮箱和多个气瓶的协同工作的方式可以提高姿控系统对箭体姿态的控制能力；另外多个贮箱和多个气瓶围绕舱体的中心轴线对称布置的方式，可以提高姿控系统自身的平衡性。围绕舱体的中心轴线周向水平布置的至少三个大推力喷管，多个大推力喷管分别通过沿舱体径向方向向外喷气，可以对箭体姿态进行调节；而成对设置在大推力喷管相对两侧的两个中推力喷管，中推力喷管沿舱体的斜切方向向外喷气，也可以对箭体姿态进行调节；而且中推力喷管的推力小于大推力喷管的推力，两种不同推力大小且喷气方向不同的多个喷管的协同作用，可以提高姿控系统的调节精度。

2.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，多个正置小推力喷管和多个斜置小推力喷管也可以对箭体姿态进行调节，而斜置小推力喷管的喷气方向和正置小推力喷管不同、斜置小推力喷管和正置小推力喷管的推力要小于中推力喷管的推力，四种不同推力大小、不同推力方向的多个喷管的协同作用更好，可以进一步提高姿控系统的调节精度，提高了姿控系统对箭体姿态的控制能力。

3.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，大推力喷管和中推力喷管、正置小推力喷管和斜置小推力喷管分设两端的结构设置，可以更好地箭体姿态进行控制。

4.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，中推力喷管、正置小推力喷管和斜置小推力喷管通过耳板与舱体上的平面结构连接的方式，不仅可以提高各个喷管和舱体的连接可靠性，还可以保证各个喷管的安装精度。

5.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，由中心筒、安装支臂和上支板组成的安装支架，中心筒沿舱体的中心轴线方向延伸，安装支臂可以供大推力喷管在其上安装，上支板可以为多个贮箱和多个气瓶在其上定位安装，这种结构的安装支架可以保证姿控系统的连接可靠性和平衡性。

6.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，下支板可以为多个贮箱和多个气瓶提供横向的辅助支撑，进一步提高姿控系统的稳定性。

7.本发明提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，燃料输送管和安装支臂一体化的结构设计，结构更加紧凑，可以降低整个姿控系统的重量，从而提高运载火箭的运载效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中运载火箭姿控喷管的上端布置平面示意图；

图2为本发明实施例中运载火箭姿控喷管的下端布置平面示意图；

图3为本发明实施例中运载火箭的姿控喷管布局结构安装在舱体上的结构示意图；

图4为本发明实施例中运载火箭姿控系统的结构示意图；

图5为本发明实施例中安装支架和大推力喷管的安装结构示意图；

图6为本发明实施例中中推力喷管的安装结构示意图；

图7为本发明实施例中正置小推力喷管的安装结构示意图；

图8为本发明实施例中斜置小推力喷管的安装结构示意图。

附图标记说明：1、舱体；101、安装平面；2、大推力喷管；3、中推力喷管；4、正置小推力喷管；5、斜置小推力喷管；6、贮箱；7、气瓶；81、中心筒；82、安装支臂；83、上支板；84、下支板；9、耳板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1－8所示的一种运载火箭的姿控喷管布局结构，包括舱体1、大推力喷管2、中推力喷管3、正置小推力喷管4、斜置小推力喷管5、贮箱6、气瓶7和安装支架。

其中，舱体1呈回转体外形；安装支架设置在舱体1内，其外周与舱体1的内壁固定连接；姿控系统固定安装在安装支架上。姿控系统包括：围绕舱体1的中心轴线顺次排布的至少三个贮箱6；位于相邻两个贮箱6之间且远离安装支架中心布置至少三个气瓶7；围绕舱体1的中心轴线周向水平布置在舱体1上的至少三个大推力喷管2，大推力喷管2用于沿舱体1的径向方向向外喷气；两两成对设置且位于舱体1的同一高度水平线上的至少四个中推力喷管3，成对设置的两个中推力喷管3沿大推力喷管2的喷气方向对称连接在舱体1上，中推力喷管3用于沿舱体1的斜切方向向外喷气。大推力喷管2的推力大于中推力喷管3的推力。

这种运载火箭的姿控喷管布局结构，姿控系统通过安装支架固定在舱体1内壁上，可以确保姿控系统的连接可靠性；贮箱6内贮藏的液态燃料可以为姿控系统提供足够的动力以对舱体1的姿态进行调节，而气瓶7内贮藏的高压气体的出气速度快，可以实现箭体姿态的快速调节，多个贮箱6和多个气瓶7的协同工作的方式可以提高姿控系统对箭体姿态的控制能力；另外多个贮箱6和多个气瓶7围绕舱体1的中心轴线对称布置的方式，可以提高姿控系统自身的平衡性。围绕舱体1的中心轴线周向水平布置的至少三个大推力喷管2，多个大推力喷管2分别通过沿舱体1径向方向向外喷气，可以对箭体姿态进行调节；而成对设置在大推力喷管2相对两侧的两个中推力喷管3，中推力喷管3沿舱体1的斜切方向向外喷气，也可以对箭体姿态进行调节；而且中推力喷管3的推力小于大推力喷管2的推力，两种不同推力大小且喷气方向不同的多个喷管的协同作用，可以提高姿控系统的调节精度。

如图1所示，在本实施例的一种具体实施方式中，大推力喷管2有四个且均匀布置在四个象限上，均正置安装在舱体1内壁上。中推力喷管3也有四个且两两成对布置在第Ⅰ、Ⅲ象限上，均斜置安装在舱体1内壁上。优选的，中推力喷管3和与其距离最近的大推力喷管2在舱体1水平方向上的夹角为11.6度。

在本实施例中，姿控系统还包括正置小推力喷管4和斜置小推力喷管5；其中，

正置小推力喷管4至少具有两个，且围绕舱体1的中心轴线周向水平连接在舱体1上，正置小推力喷管4用于沿舱体1的径向方向向外喷气；斜置小推力喷管5至少具有四个且两两成对布置，多个斜置小推力喷管5水平布置，且成对设置的两个斜置小推力喷管5沿大推力喷管2的喷气方向对称连接在舱体1上，斜置小推力喷管5用于沿垂直于正置小推力喷管4的方向向外喷气。正置小推力喷管4的推力和斜置小推力喷管5的推力相同且小于中推力喷管3的推力。多个正置小推力喷管4和多个斜置小推力喷管5也可以对箭体姿态进行调节，而斜置小推力喷管5的喷气方向和正置小推力喷管4不同、斜置小推力喷管5和正置小推力喷管4的推力要小于中推力喷管3的推力，四种不同推力大小、不同推力方向的多个喷管的协同作用更好，可以进一步提高姿控系统的调节精度，提高了姿控系统对箭体姿态的控制能力。

如图2所示，在本实施例的一种具体实施方式中，正置小推力喷管4有两个且分别布置在第Ⅰ、Ⅲ象限上，均正置安装在舱体1内壁上。斜置小推力喷管5有四个且平行Z轴设置，斜置小推力喷管5喷口背离第Ⅰ、Ⅲ象限的平分线，均斜置安装在舱体1内壁上。优选的，斜置小推力喷管5和与其距离最近的正置小推力喷管4在舱体1水平方向上的夹角为30.5度。

如图3、图4和图5所示，在本实施例的一种具体实施方式中，贮箱6和气瓶7均设置有四个，且围绕舱体1的中心轴线周向均匀布置。贮箱6用于装载燃料，气瓶7用于装载高压气体。

如图3、图4和图5所示，在本实施例的一种实施方式中，舱体1为铝合金一体机械加工制成，舱体1的外表面光滑无凸起、内表面为网格加筋结构。四个大推力喷管2和四个中推力喷管3布置在舱体1的上端平面内，两个正置小推力喷管4和四个斜置小推力喷管5布置在舱体1的下端平面内、且位于同一高度水平线上。大推力喷管2和中推力喷管3、正置小推力喷管4和斜置小推力喷管5分设两端的结构设置，可以更好地箭体姿态进行控制。

如图3、图4和图5所示，在本实施例中，安装支架包括中心筒81、安装支臂82和上支板83。其中，中心筒81沿舱体1的中心轴线方向延伸；安装支臂82连接在中心筒81的上端，具有沿舱体1径向延伸的至少三个支臂，大推力喷管2远离舱体1的一端连接在支臂上；上支板83的中心部分连接中心筒81、外边缘部分连接舱体1的内壁，上支板83用于供多个贮箱6和多个气瓶7在其上定位安装。这种结构的安装支架可以保证姿控系统的连接可靠性和平衡性。

进一步的，上支板83连接在中心筒81靠近安装支臂82的一端，中心筒81远离安装支臂82的一端的外周还连接有用于为多个贮箱6和多个气瓶7提供横向支持的下支板84。下支板84的设置可以进一步提高贮箱6、气瓶7在安装支架上的连接稳定性。

如图6所示，中推力喷管3安装在舱体1内壁上，舱体1内壁对应位置设计为平面结构；中推力喷管3通过耳片上的三个螺栓连接在舱体1内壁的平面结构上。

如图7所示，正置小推力喷管4安装在舱体1内壁上，舱体1内壁对应位置设计为平面结构；正置小推力喷管4通过耳片上的三个螺栓连接在舱体1内壁的平面结构上。

如图8所示，斜置小推力喷管5安装在舱体1内壁上，舱体1内壁对应位置设计为平面结构；斜置小推力喷管5通过耳片上的三个螺栓连接在舱体1内壁平面上。

中推力喷管3、正置小推力喷管4和斜置小推力喷管5通过耳板9与舱体1连接的方式，不仅可以提高各个喷管和舱体1的连接可靠性，还可以保证各个喷管的安装精度。

在本实施例的一种具体实施方式中，舱体1、上支板83和下支板84由铝合金机械加工制成，大推力喷管2、中推力喷管3、正置小推力喷管4、斜置小推力喷管5由合金钢制成，贮箱6由不锈钢材料制成，气瓶7由铝合金内胆外缠绕碳纤维制成，安装支臂82、中心筒81由钛合金3D打印制成；以及舱体1、大推力喷管2、中推力喷管3、正置小推力喷管4、斜置小推力喷管5、贮箱6、气瓶7、大推力喷管2安装支臂82、中心筒81、上支板83和下支板84及箭体的各部件单独成型后，采用螺接方式装配成运载火箭姿控喷管布局及安装结构系统。这种设计结构具有箭体姿态调节精度高、控制能力强、结构重量轻、连接可靠性高的特点。

在本实施例的一种具体实施方式中，舱体1的壁厚2mm，舱体1两端的端框厚度为10mm，舱体1内部的网格筋条高度为10mm、厚度为2mm。舱体1材料为铝合金2A14锻环，机械加工成型。

贮箱6材料为不锈钢板材，经旋压焊接而成，壁厚为1.5mm。

气瓶7内胆材料为铝合金厚度为0.5mm，外部缠绕2mm厚度碳纤维。

安装支臂82、中心筒81由钛合金3D打印制成，安装支臂82的内部有燃料输送管，安装支臂82与燃料输送管一体化设计，结构紧凑，可以降低整个姿控系统的重量，从而提高运载火箭的运载效率。

上支板83由2A14铝合金板材机械加工制成，上支板83厚度为5mm，加筋高度为20mm，加筋厚度为3mm。

下支板84由2A12铝合金板材钣金加工制成，下支板84厚度为2mm。

各组件分别完成加工后进行装配。

在运载火箭的姿控喷管布局结构的装配过程中，首先将上支板83、下支板84装入舱体1内部，之后安装中心筒81；然后将四个贮箱6、四个气瓶7安装在上支板83、下支板84上；其次将通过螺栓将中推力喷管3、正置小推力喷管4、斜置小推力喷管5安装在舱体1内壁上，每个喷管通过三个M8螺栓连接；最后将安装支臂82安装在中心筒81上，大推力喷管2安装在大推力喷管2安装支臂82上。

综上所述，本发明实施例提供的运载火箭的姿控喷管布局结构，利用大推力喷管2、中推力喷管3、正置小推力喷管4和斜置小推力喷管5的推力档次和推力方向不同，可以协同配合对箭体的姿态进行调节控制，具有箭体姿态调节精度高、控制能力强、结构重量轻、连接可靠性高的优点。而且多个姿控喷管推力分为三个档次，可根据实际飞行需要灵活使用，对箭体姿态控制更为精细，喷管布置在箭体两端也提高了控制能力。舱体1采用一体化机械加工的方案，不仅光滑平整的外形减小了气动阻力，同时还为姿控系统提供了安装接口，大幅降低了结构重量、提高了运载能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，包括：

舱体(1)，呈回转体外形；

安装支架，设置在所述舱体(1)内，其外周与所述舱体(1)的内壁连接；

姿控系统，安装在所述安装支架上；所述姿控系统包括：

贮箱(6)，至少具有三个，且围绕所述舱体(1)的中心轴线顺次排布；

气瓶(7)，位于相邻两个所述贮箱(6)之间，且远离所述安装支架中心布置；

大推力喷管(2)，至少具有三个，围绕所述舱体(1)的中心轴线周向且水平布置在所述舱体(1)上，用于沿所述舱体(1)的径向方向向外喷气；

中推力喷管(3)，至少具有四个且两两成对布置，多个所述中推力喷管(3)水平布置，且成对设置的两个所述中推力喷管(3)沿所述大推力喷管(2)的喷气方向对称连接在所述舱体(1)上，用于沿所述舱体(1)的斜切方向向外喷气。

2.根据权利要求1所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述大推力喷管(2)的推力大于所述中推力喷管(3)的推力。

3.根据权利要求2所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述姿控系统还包括：

正置小推力喷管(4)，至少具有两个，围绕所述舱体(1)的中心轴线周向且水平布置在所述舱体(1)上，用于沿所述舱体(1)的径向方向向外喷气；

斜置小推力喷管(5)，至少具有四个且两两成对布置，多个所述斜置小推力喷管(5)水平布置，且成对设置的两个所述斜置小推力喷管(5)沿所述大推力喷管(2)的喷气方向对称连接在所述舱体(1)上，用于沿垂直于所述正置小推力喷管(4)的方向向外喷气。

4.根据权利要求3所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述中推力喷管(3)的推力＞所述正置小推力喷管(4)的推力＝所述斜置小推力喷管(5)的推力。

5.根据权利要求4所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述大推力喷管(2)和所述中推力喷管(3)连接在所述舱体(1)的上端，所述正置小推力喷管(4)和所述斜置小推力喷管(5)连接在所述舱体(1)的下端、且位于同一高度水平线上。

6.根据权利要求5所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述中推力喷管(3)和与其距离最近的所述大推力喷管(2)在所述舱体(1)水平方向上的夹角为11.6度；所述斜置小推力喷管(5)和与其距离最近的所述正置小推力喷管(4)在所述舱体(1)水平方向上的夹角为30.5度。

7.根据权利要求5所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述舱体(1)内壁对应所述中推力喷管(3)、所述正置小推力喷管(4)和所述斜置小推力喷管(5)的位置设有平面结构，所述中推力喷管(3)、所述正置小推力喷管(4)和所述斜置小推力喷管(5)的外壁上均设有用于连接所述平面结构的耳板(9)。

8.根据权利要求1所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述安装支架包括：

中心筒(81)，沿所述舱体(1)的中心轴线方向延伸；

安装支臂(82)，连接在所述中心筒(81)的上端，具有沿所述舱体(1)径向延伸的至少三个支臂，所述大推力喷管(2)远离所述舱体(1)的一端连接在所述支臂上；

上支板(83)，中心部分连接所述中心筒(81)，外边缘部分连接所述舱体(1)的内壁，用于供多个所述贮箱(6)和多个所述气瓶(7)在其上定位安装。

9.根据权利要求8所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述上支板(83)连接在中心筒(81)靠近所述安装支臂(82)的一端，所述中心筒(81)远离所述安装支臂(82)的一端的外周还连接有用于为多个所述贮箱(6)和多个所述气瓶(7)提供横向支持的下支板(84)。

10.根据权利要求8所述的运载火箭的姿控喷管布局结构，其特征在于，所述安装支臂(82)的支臂内部设有连通所述中心筒(81)和所述大推力喷管(2)的燃料输送管。

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