CN111216930A - 火箭子级着陆回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的火箭子级着陆回收系统及方法，属于运载火箭技术领域，所述火箭子级着陆回收系统，包括：可控推进减速系统，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；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；着陆接收系统，具有用于接收所述火箭子级的移动着陆平台，所述移动着陆平台上具有着陆缓冲机构；本发明的火箭子级着陆回收系统，当出现火箭子级不能准确的着陆在固定着陆平台上，控制火箭子级和着陆接收系统相配合，实现火箭子级平稳降落到着陆缓冲机构上。
Description
技术领域
本发明涉及运载火箭技术领域，具体涉及一种火箭子级着陆回收系统及方法。
背景技术
大多数的运载火箭包括多个火箭子级，每一个火箭子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，每个火箭子级的燃料用完后自动脱落；脱落后进入到火箭子级返回过程，火箭子级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的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，有可能会出现发动机推力偏低、冷气耗尽、推进剂余量不够、着陆腿不能完全打开、着陆偏差等问题，由于上述各种故障会导致火箭子级不能准确在固定着陆平台可靠着陆。
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不能准确的着陆在固定着陆平台上的缺陷，从而提供一种火箭子级着陆回收系统及方法。
本发明提供的火箭子级着陆回收系统，包括：
可控推进减速系统，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；
着陆接收系统，具有用于接收所述火箭子级的移动着陆平台，所述移动着陆平台上具有着陆缓冲机构。
作为优选方案，所述着陆缓冲机构包括：
主支架，具有多根，分别支撑在所述移动着陆平台的上方；
缓冲网，通过所述主支架的支撑，保持朝上张开的状态。
作为优选方案，多个所述主支架中，至少部分设有阻尼装置。
作为优选方案，所述移动着陆平台上铺设有缓冲材料。
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。
本方案还提供一种火箭子级着陆回收方法，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；
驱动移动着陆平台在陆地接收所述火箭子级。
作为优选方案，所述移动着陆平台通过无人驾驶车驱动移动。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，包括：可控推进减速系统、降落伞系统、控制系统、栅格翼和着陆接收系统；通过可控推进减速系统的可控推进发动机和降落伞系统中的降落伞对所述火箭子级进行减速，通过控制系统控制栅格翼实现火箭子级的飞行和姿态；着陆接收系统用于接收火箭子级；
当火箭子级出现发动机推力偏低、冷气耗尽、推进剂余量不够、着陆腿不能完全打开或者着陆偏差等问题时，都不能准确的着陆在固定着陆平台上，此时，控制火箭子级和着陆接收系统上的移动着陆平台相配合，实现火箭子级平稳降落到移动着陆平台的着陆缓冲机构上。
2.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，所述着陆缓冲机构包括主支架和通过所述主支架支撑的，保持朝上张开状态的缓冲网；缓冲网朝向上方张开，利于接收火箭子级的坠落，对火箭子级产生缓冲的作用，不因与地面的直接撞击而损坏，保证火箭子级的完好，实现火箭子级的二次利用。
3.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，多个所述主支架中，至少部分设置有阻尼装置，能够吸收火箭子级冲击到缓冲网后的动能，延长所述主支架的寿命。
4.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，所述移动着陆平台上铺设有缓冲材料，当火箭子级落到缓冲网上后，由于火箭子级下落过程中的惯性的问题，缓冲网具有弹性，火箭子级会触碰移动着陆平台，缓冲材料能够缓冲火箭子级撞击到移动着陆平台上时的撞击力。
5.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，所述降落伞包括初级降落伞和主伞，先在一定高度打开一个面积很小的初级降落伞，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。
6.本发明提供的火箭子级着陆回收系统，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，用于在大气外调整火箭子级的姿态和方向。
7.本发明提供的火箭子级着陆回收方法，使用上述火箭子级着陆回收系统，具有上述任一项所述的优点。
8.本发明提供的火箭子级着陆回收方法，所述移动着陆平台通过无人驾驶车驱动移动，无人驾驶车控制移动着陆平台根据火箭子级的运动轨迹移动，保证火箭子级精准的落到着陆接收系统上，同时，无人驾驶车通过计算机控制，可以进行远程操作，保证操作人员的安全。
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为本发明的着陆接收系统的立体图。
图2为本发明的着陆接收系统的主视图。
图3为本发明的火箭子级的结构示意图。
附图标记说明：
1、移动着陆平台；2、主支架；3、缓冲网；4、缓冲材料；5、液压杆阻尼器；6、无人驾驶车；7、级间段；8、贮箱；9、尾箱；10、可控推进发动机； 11、着陆腿；12、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。
本实施例提供的火箭子级着陆回收系统，包括：可控推进减速系统、降落伞系统、控制系统、栅格翼12和着陆接收系统；如图3所示，其中的火箭子级自上而下依次包括：级间段7、贮箱8和尾箱9。
所述可控推进减速系统用于火箭子级的减速，包括设置在火箭子级上可控推进发动机10。所述可控推进发动机10设置在所述火箭子级的尾箱9内，所述可控推进发动机10所需的推进剂设置在贮箱8内。
所述降落伞系统，包括设置在火箭子级的级间段7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，先在一定高度打开一个面积很小的初级降落伞，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。所述降落伞包括圆伞、翼伞或群伞中的一种或者几种。
所述控制系统用于控制火箭子级的飞行和姿态，大气层内，所述控制系统通过控制栅格翼12，实现火箭子级的飞行和姿态控制，大气层外，所述控制系统通过控制反作用装置，实现火箭子级的姿态控制；
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。
所述栅格翼12设置在火箭子级的级间段7的外表面上，由所述控制系统控制，所述栅格翼12采用“十”字形配置方案，两个水平方向舵面控制俯仰通道，两个竖直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。
本实施例中，火箭子级在降落的过程中，采用四个栅格翼12进行滚转、俯仰和偏航控制，以保持箭体稳定。所述栅格翼12安装在级间段7上，每个栅格翼12的尺寸约为1.22m*1.52m，都可以独立调整姿态，在舵机驱动下，能够实现旋转和倾斜。在火箭升空时收拢，在所述火箭子级降落时打开。
所述着陆接收系统设置在地面上，具有移动着陆平台1，所述移动着陆平台1上具有用于接收所述火箭子级的着陆缓冲机构。
如图1所示，所述着陆缓冲机构包括：多根主支架2和缓冲网3；所述主支架2优选为四根，主支架2支撑在所述移动着陆平台1的上方的四个角落处；每个所述主支架2的侧边都设置有两个阻尼装置，具体为液压杆阻尼器5，用来吸收火箭子级降落下来后的动能。
如图2所示，所述缓冲网3通过所述主支架2支撑，保持朝上张开的状态，用于接收落下来的火箭子级；所述缓冲网3耐高温具有一定的柔性，由高强度、轻质复合材料制成。
所述移动着陆平台1上铺设有缓冲材料4，当火箭子级降落到缓冲网3上后，缓冲网3具有一定的弹性，火箭子级会经历一个上下摆动的过程，当火箭的下端触碰到移动着陆平台1的上表面时，由于设置有缓冲材料4，对所述火箭子级的撞击的损伤会减少。
所述移动着陆平台1通过无人驾驶车6驱动移动，所述无人驾驶车6通过计算机控制，控制移动着陆平台1根据火箭子级的运动轨迹移动，保证火箭子级精准的落到着陆缓冲机构上，所述无人驾驶车6可以进行远程操作，保证操作人员的安全。
所述着陆接收系统还包括：间隔布置的第一着陆场和第二着陆场，当火箭子级正常程序着陆时，降落到提前布置好的第一着陆场和第二着陆场，平稳回收。当火箭子级无法按照正常程序降落到提前布置好的第一着陆场和第二着陆场时，无人驾驶车6驱动移动着陆平台1移动，移动至火箭子级降落的位置，接收火箭子级。
如图3所示，与所述移动着陆平台1相配合，所述火箭子级的尾箱9上设置有着陆支撑结构，所述着陆支撑结构为软着陆支撑结构，具有气囊式和着陆支架式两类。本实施例采用着陆支架式，所述着陆支架由着陆腿11、缓冲器、足垫和展开锁定机构等组成。着陆支架工作时通过着陆腿11内部缓冲器的压缩变形吸收冲击能量，着陆后不反弹，具有着陆姿态稳定、可靠性高的优点。
其中，一般设置有四条着陆腿11，四条着陆腿11对称分布在火箭的四周，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11伸展最大长度为18m，跨度为21.336m。
着陆腿11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11收拢依附在火箭主体上，并刚好贴合气动外壳以降低阻力。在落地之前10s，着陆腿11展开为钝角，以免发动机和地面接触进行缓冲和支撑。支撑着陆腿11展开动力源是高压氦气系统。
使用上述所述的火箭子级着陆回收系统，提供一种火箭子级着陆回收方法，包括以下以下步骤：
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，在大气层内，通过控制栅格翼12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初级降落伞，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，无人驾驶车6驱动移动着陆平台1通过着陆缓冲机构实现火箭子级的接收。当着陆腿11出现故障时，张开着陆接收系统上的缓冲网3，对火箭子级进行接收，缓冲网3为火箭子级提供缓冲，保证火箭子级在降落的过程中得到缓冲，对火箭子级起到很好的保护，保证火箭子级的回收利用。
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.火箭子级着陆回收系统，其特征在于，包括：
可控推进减速系统，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(10)；
降落伞系统，包括设置在火箭子级的级间段(7)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(12)，设置在火箭子级上，由所述控制系统控制；
着陆接收系统，具有用于接收所述火箭子级的移动着陆平台(1)，所述移动着陆平台(1)上具有着陆缓冲机构。
2.根据权利要求1所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，所述着陆缓冲机构包括：
主支架(2)，具有多根，分别支撑在所述移动着陆平台(1)的上方；
缓冲网(3)，通过所述主支架(2)的支撑，保持朝上张开的状态。
3.根据权利要求2所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，多个所述主支架(2)中，至少部分设有阻尼装置。
4.根据权利要求2所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，所述移动着陆平台(1)上铺设有缓冲材料(4)。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，所述降落伞包括初级降落伞和主伞。
6.根据权利要求5所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，所述降落伞包括圆伞、翼伞或群伞。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的火箭子级着陆回收系统，其特征在于，所述可控推进发动机(10)的推进剂设置在所述火箭子级的贮箱(8)内。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的火箭子级着陆回收系统，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。
9.一种火箭子级着陆回收方法，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(12)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；
驱动移动着陆平台(1)在陆地接收所述火箭子级。
10.根据权利要求9所述的火箭子级着陆回收方法，其特征在于，所述移动着陆平台(1)通过无人驾驶车(6)驱动移动。
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