CN111189364A - 一种火箭子级回收方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种火箭子级回收方法及系统，属于火箭子级回收技术领域，本发明提供的火箭子级回收方法，包括以下步骤：火箭子级和火箭本体分离后进入返回轨道；在大气层内，采用栅格翼控制火箭子级的飞行和姿态；火箭子级通过可控推进减速系统和降落伞系统进行减速；通过飞行器抓取位于空中的火箭子级；本发明的火箭子级回收方法中，当火箭子级分离后，当火箭子级在降落的过程中，通过飞行器抓取空中的火箭子级，防止火箭子级在着陆的过程中发生失稳、倾斜颠覆或者爆炸的情况，保证火箭子级的安全着陆，保证其能够重复使用。

Description

一种火箭子级回收方法及系统
技术领域
本发明涉及火箭子级回收技术领域，具体涉及一种火箭子级回收方法及系统。
背景技术
大多数的火箭包括多个火箭子级组合而成，每一级都装有发动机和燃料，目的是为了提高火箭的连续飞行能力与最终速度。从尾部最初一级开始，每个子级火箭燃料用完后自动脱落；脱落后进入到子级火箭返回过程，子级火箭返回过程指的是沿其飞行轨道直接进入、或者离开它原来飞行的轨道沿转变后的轨道进入地球的大气层，并通过大气层中的大气减速，安全降落在地球上的过程。
为了降低运载火箭发射成本，回收并再次使用运载火箭子级成为各国在飞行器系统领域的探索发展过程中的一个重要技术路线。Space X公司在其最近几次发射中所采用的火箭回收技术方案是：在火箭子级降落过程中，通过主发动机点火实现减速，同时以姿控发动机调整火箭子级的飞行姿态，从而确保火箭以近乎垂直的姿态下落。在下落的火箭子级接近地面时，处于收拢状态的支撑腿打开，从而使火箭平稳的支撑在着陆表面上(例如，地面或海上平台)。
但是，在着陆的过程中，可能会出现支撑腿不能完全打开、火箭姿态失稳等情况，导致火箭子级不能准确在着陆平台可靠着陆，以及在固定着陆场可能发生失稳、倾倒颠覆和爆炸等问题。
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的火箭子级在着陆过程中可能会发生失稳、倾倒颠覆和爆炸的缺陷，从而提供一种火箭子级回收方法及系统。
本发明提供的一种火箭子级回收方法，包括以下步骤：
火箭子级和火箭本体分离后进入返回轨道；
在大气层内，采用栅格翼控制火箭子级的飞行和姿态；
火箭子级通过可控推进减速系统和降落伞系统进行减速；
通过飞行器抓取位于空中的火箭子级。
作为优选方案，所述飞行器对火箭子级实施抓取之前，通过可控推进减速系统使所述火箭子级在空中处于悬停状态。
作为优选方案，所述可控推进减速系统的可控推进发动机在飞行器抓取火箭子级时，通过控制系统进行控制泄出。
作为优选方案，所述降落伞系统的降落伞在火箭子级降落的过程中，采用两级减速，先打开初级减速伞，进行初级减速，然后打开主伞，进行减速。
本发明还提供一种火箭子级回收系统，包括：
可控推进系统，设置在火箭子级上，具有用于控制所述火箭子级进行减速的可控推进发动机；
降落伞系统，包括设置在火箭子级的级间段内的降落伞，用于控制所述火箭子级进行减速；
控制系统，用于控制火箭子级的飞行和姿态；
栅格翼，设置在火箭子级上，由所述控制系统控制；
飞行器，具有用于对火箭子级实施空中抓取的机械臂。
作为优选方案，所述降落伞包括初级降落伞和主伞。
作为优选方案，所述降落伞包括圆伞、翼伞或群伞。
作为优选方案，所述可控推进发动机的推进剂设置在所述火箭子级的贮箱内。
作为优选方案，所述火箭子级上具有若干与所述控制系统信号连接的反作用装置。
作为优选方案，其特征在于，所述飞行器为直升机。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种火箭子级回收方法，火箭子级和火箭本体分离后进入返回轨道，在大气层内通过栅格翼控制火箭子级的飞行和姿态，通过可控推进减速系统和降落伞系统进行减速，通过飞行器抓取位于空中的火箭子级；通过飞行器抓取空中的火箭子级，防止火箭子级在着陆的过程中发生失稳、倾斜颠覆或者爆炸的情况，保证火箭子级的安全着陆，保证其能够重复使用；同时，利用飞行器抓取火箭子级的方式，适应各种火箭子级的减速方式，使用性广。
2.本发明提供的一种火箭子级回收方法，当火箭子级在空中悬停时，飞行器对火箭实施抓取，提高了飞行器在空中抓取火箭子级的可靠性。
3.本发明提供的一种火箭子级回收方法，当采用可控推进减速系统时，为了减轻重量，方便飞行器对火箭子级的抓取，将所述贮箱内可控推进发动机的推进剂通过控制系统控制系统控制泄出。
4.本发明提供的一种火箭子级回收方法，当火箭子级采用降落伞进行减速时，采用两级减速，先在一定高度打开一个面积很小的减速伞，将火箭子级初步减速，然后再在下边的一个高度打开面积较大的主伞，保证火箭子级的速度进行平稳的下降，保证火箭子级的安装降落。
5.本发明提供的一种火箭子级回收系统，主要应用于上述所述的火箭子级回收方法，因此，具有上述方法的优点。
6.本发明提供的一种火箭子级回收系统，所述火箭子级上具有若干与所述控制系统信号连接的反作用装置，所述反作用装置用于大气外对所述火箭子级的方向的调整。
7.本发明提供的一种火箭子级回收系统，所述飞行器为直升机，可以借助无人机或者机器人在空中操作，提高抓取火箭的安全性和可靠性。
8.本发明提供的一种火箭子级回收系统，所述飞行器通过机械臂对火箭子级实施抓取，能够自主控制快速抓取火箭的有效部位，然后通过机械臂上的爪子对火箭子级进行灵活的伸张和握紧。
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为本发明的直升机抓取火箭子级的结构示意图。
图2为本发明的火箭子级的结构示意图。
附图标记说明：
1、级间段；2、贮箱；3、尾段；4、可控推进发动机；5、着陆腿；6、直升机；7、栅格翼。
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。
本实施例提供的一种火箭子级回收系统，包括：可控推进系统、降落伞系统、控制系统、栅格翼7、反作用控制装置和飞行器。
所述可控推进系统，设置在火箭子级上，包括可控推进发动机4，所述可控推进发动机4用于控制对所述火箭子级进行减速；如图2所示，所述被分开的火箭子级自上而下依次包括：级间段1、贮箱2和尾段3；所述可控推进发动机4的推进剂设置在所述火箭子级的贮箱2内，当飞行器抓取火箭子级时，通过控制系统控制推进剂从贮箱2内泄出，减轻火箭子级的重量，方便飞行器对火箭子级的抓取。
所述降落伞系统，包括设置在火箭子级的级间断内的降落伞，用于控制所述火箭子级进行减速，所述降落伞包括初级降落伞和主伞，所述降落伞在火箭子级降落的过程中，采用两级减速，先打开初级减速伞，进行初级减速，然后打开主伞，进行减速。所述降落伞包括圆伞、翼伞和群伞中的一种或几种。
所述栅格翼7，设置在火箭子级的级间段1上，在大气层内，用于控制火箭子级的飞行和姿态，由所述控制系统控制；
当火箭子级进入到轨道，通过控制系统控制栅格翼所受的气动力来控制火箭子级再入大气和下降过程。所述栅格翼采用“十”字型配置方案，两个水平方向舵面控制俯仰通道，两个竖立方向舵面控制偏航通道，两个或四个舵面同向偏转控制滚转通道。
一般情况下，火箭子级在回收过程中采用4个栅格翼进行滚转、俯仰和偏航控制，以保持箭体稳定。栅格翼安装在级间段1上，横跨火箭子级与级间段1对接面，前端在升空时固定在火箭子级上。每片栅格翼的尺寸约为1.22m×1.52m，都可以独立调整姿态，在舵机的驱动下，能够进行旋转和倾斜。它们升空时收拢，降落时打开。
所述控制系统，通过控制栅格翼实现控制火箭子级的飞行和姿态。
所述飞行器，优选为直升机6；具有用于对火箭子级实施空中抓取的机械臂，所述机械手含有多个爪子或指头，可以灵活伸张和握紧。
所述反作用控制装置，具有若干个反推喷灌，分散设置在所述火箭子级的级间段上，与所述控制系统信号连接，所述反推装置可以为液体发动机或冷气喷灌。
所述火箭子级回收系统，还包括着陆支撑结构，所述着陆支撑结构有四条着陆腿5；所述着陆腿5由碳纤维材料和铝合金蜂窝板制成，采用高压氦气气动系统展开。高约7.62m，总质量为2.1吨，着陆腿5伸展最大长度为18m，跨度为21.336m。
着陆支撑机构为倒三角形式，四条着陆腿5对称分布在火箭的四周。着陆腿5内有液压减震器，以减小着陆冲击，实现火箭的软着陆。在发射过程中，着陆腿5收拢依附在火箭主体上，并刚好贴合气动外壳以降低阻力。当飞行器抓取着火箭子级在落地之前10s，着陆腿5展开为钝角，为火箭子级和地面接触进行缓冲和支撑。支撑着陆腿5展开动力源是高压氦气系统。
根据上述所述的火箭子级回收系统，提供一种火箭子级回收方法，具体的步骤如下：
第一步，首先进行火箭子级和火箭本体分离，火箭子级进入到返回轨道，通过反作用装置将火箭子级调到对准落区的方向。
第二步，当火箭子级到达反推点后，对可控推进减速系统中的发动机进行点火，持续30-50s后，反推点火结束。
第三步，当火箭子级进入到轨道，通过控制栅格翼所受的气动力来控制火箭子级再入大气和下降过程中火箭子级的飞行和姿态。
第四步，当火箭子级到达距离地面50-80km时，再次通过可控推进减速系统的发动机，对火箭子级进行减速，大约持续15-25s后，火箭子级距离地面的约30-40km时，点火结束。
第五步，当火箭子级下降到20km以下的高度时，通过降落伞系统对其降速；所述降落伞在火箭子级的降落过程中，一般采用两级减速，先在一定高度打开一个面积很小的降落伞，将返回器初步减速，然后在另一个高度打开面积较大的主伞。
第六步，当降落伞将火箭子级的速度降到合适的速度时，开启可控推进减速系统，与所述降落伞相配合将所述火箭子级的速度降到零；如图1所示，当火箭子级的速度降到零时，即火箭子级处于悬停的状态，通过直升机6抓取位于空中的火箭子级，利用直升机6内伸出的机械臂，通过机载控制系统自主快速抓取火箭的抓取有效部位A。所述机械臂含有多个爪子或指头，可以灵活伸张和握紧。
所述火箭子级的级间段1的上部分设置有方便抓取的抓取部位，抓取部位可以是一端与火箭子级固定连接的部件，另一端适于机械臂握紧。
为了减轻重量，在直升机6抓取之前，设置在尾段3内的推进剂控制系统控制贮箱2内的推进剂泄出。
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)

1.一种火箭子级回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
火箭子级和火箭本体分离后进入返回轨道；
在大气层内，采用栅格翼控制火箭子级的飞行和姿态；
火箭子级通过可控推进减速系统和降落伞系统进行减速；
通过飞行器抓取位于空中的火箭子级。
2.根据权利要求1所述的火箭子级回收方法，其特征在于，所述飞行器对火箭子级实施抓取之前，通过可控推进减速系统使所述火箭子级在空中处于悬停状态。
3.根据权利要求2所述的火箭子级回收方法，其特征在于，所述可控推进减速系统的可控推进发动机(4)在飞行器抓取火箭子级时，通过控制系统进行控制泄出内部的推进剂。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的火箭子级回收方法，其特征在于，所述降落伞系统的降落伞在火箭子级降落的过程中，采用两级减速，先打开初级减速伞，进行初级减速，然后打开主伞，进行减速。
5.一种火箭子级回收系统，其特征在于，包括：
可控推进系统，设置在火箭子级上，具有用于控制所述火箭子级进行减速的可控推进发动机(4)；
降落伞系统，包括设置在火箭子级的级间段(1)内的降落伞，用于控制所述火箭子级进行减速；
控制系统，用于控制火箭子级的飞行和姿态；
栅格翼，设置在火箭子级上，由所述控制系统控制；
飞行器，具有用于对火箭子级实施空中抓取的机械臂。
6.根据权利要求5所述的火箭子级回收系统，其特征在于，所述降落伞包括初级降落伞和主伞。
7.根据权利要求6所述的火箭子级回收系统，其特征在于，所述降落伞包括圆伞、翼伞或群伞中的一种或者几种。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的火箭子级回收系统，其特征在于，所述可控推进发动机(4)的推进剂设置在所述火箭子级的贮箱(2)内。
9.根据权利要求5～7中任一项所述的火箭子级回收系统，其特征在于，所述火箭子级上具有若干与所述控制系统信号连接的反作用装置。
10.根据权利要求5～7中任一项所述的火箭子级回收系统，其特征在于，所述飞行器为直升机(6)。
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