CN111256544A - 火箭回收装置和液体火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火箭回收装置和液体火箭。火箭回收装置包含固定座，N个支撑结构和M个挂架结构，所述支撑结构周向均匀排布，且固定设置在所述固定座上，所述支撑结构底端与所述固定座固定连接，顶端通过旋转结构与所述挂架结构的一端连接，且多个所述挂架结构的另一端向彼此靠近的方向伸出；所述挂架结构用于与待回收火箭接触后，通过所述旋转结构随待回收火箭向下运动，以缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。本发明的火箭回收装置和火箭，通过所述挂锁机构连接液体火箭上的挂架结构，捕获待回收火箭，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

Description

火箭回收装置和液体火箭

技术领域

本发明涉及火箭回收技术领域，尤其涉及一种火箭回收装置和液体火箭。

背景技术

火箭回收技术是航天技术领域的一颗璀璨明珠，是航天技术实力的综合体现，因此，也受到了各个航天大国的极大关注。目前国内尚无已经投入使用的液体火箭回收方案。美国的Space X公司、蓝色起源公司已经多次成功进行了火箭的回收。例如，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）。

具体而言，火箭子级的底部设置可收放的支撑腿。在火箭飞行的过程中，支撑腿可以始终处于收拢状态。火箭子级工作结束并与箭体分离后，主发动机关机，火箭子级飞往预定的落区或者飞回发射场。在靠近地面的时候，主发动机重新点火起动，火箭减速。在落地前支撑腿在高压气体的作用下展开并锁定。火箭子级在最后触地瞬间，通过主发动机控制速度降低到0，并通过展开的支撑腿站稳在回收场地或回收船舶上。

这种方法需要制作大型的支腿来保证着陆时的支撑强度，目前，为了重心位置较高的箭体着陆稳定性，减少对箭体的冲击强度，着陆支腿机构设计复杂，重量较大（如SPACEX的猎鹰9号着陆机构近3吨），造成箭体运输能力的损失。回收过程中同时对火箭降落时的姿态及速度的控制要求很高，如果火箭子级降落的姿态或速度控制不好，

很可能会造成火箭的倾倒或爆炸，从而导致火箭回收彻底失败。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种火箭回收装置和液体火箭，可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，大幅降低着陆机构重量，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

本发明的一个方面提供了一种火箭回收装置，包含固定座，多个支撑结构和多个挂架结构。

所述支撑结构周向均匀排布，且固定设置在所述固定座上，所述支撑结构底端与所述固定座固定连接，顶端通过旋转结构与所述挂架结构的一端连接，且多个所述挂架结构的另一端向彼此靠近的方向伸出；

所述挂架结构用于与待回收火箭接触后，通过所述旋转结构随待回收火箭向下运动，以缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。

在同一个实施例中，所述旋转结构为转轴，所述挂架结构包含转动架、伸缩拉杆和防脱档块；所述转动架位于所述伸缩拉杆的外侧，通过所述转轴与所述伸缩拉杆连接，所述防脱档块位于所述伸缩拉杆靠近所述固定座中心的内侧。

在同一个实施例中，所述伸缩拉杆包含减震桶和伸出架，所述伸出架一端位于所述减震桶内，另一端与远离所述减震桶一侧的所述防脱档块连接，所述减震桶为液压阻尼减震桶，所述伸出架为与所述液压阻尼减震桶配合的液压减震杆。

在同一个实施例中，所述挂架结构上设有用于保护所述挂架结构的减震器，所述减震器位于所述挂架结构的下部，且所述减震器一端通过固定架与所述支撑结构连接，另一端与所述挂架结构连接。

在同一个实施例中，所述减震器为液压减震器，且所述液压减震器伸缩方向与所述支撑结构的长度方向一致。

在同一个实施例中，所述挂架结构靠近所述固定座中心一端的延长线与所述支撑结构周向排布的中心线重合。

本发明的另一个方面提供了一种液体火箭，包括子级火箭，其中所述子级火箭远离主发动机一端包括姿态调节机构和挂锁机构；其中所述姿态调节机构用于在所述子级火箭返回时调节所述子级火箭的降落姿态，以使所述挂锁机构连接如上所述的火箭回收装置中的所述挂架结构。

在同一个实施例中，所述姿态调节机构包括格栅翼和姿态控制系统；

其中所述格栅翼用于在所述子级火箭降落过程中，通过改变形状或位置调整所述子级火箭受到的气动力，实现对箭体的飞行攻角、姿态的调整，从而确保所述子级火箭按预定的轨迹及姿态降落；所述姿态控制系统通过喷气反推的方式产生反作用力实现对子级火箭飞行姿态的调整，保证所述子级火箭以预定的倾角接触所述挂架结构。

在同一个实施例中，所述挂锁机构包括安装架、挂杆、开关机构、主挂锁、副挂锁和挂杆卡座，其中，所述安装架固定设置在所述子级火箭上，所述挂杆一端与所述安装架固定连接，另一端通过所述开关机构与所述挂杆卡座连接，所述主挂锁周向设置在所述子级火箭表面，所述副挂锁一端与所述安装架固定连接，另一端在所述挂杆的轴向方向上贯穿所述挂杆后与所述主挂锁固定连接。

在同一个实施例中，所述子级火箭表面设有连接所述挂杆的连接锁，所述连接锁一端与所述子级火箭固定连接，另一端与所述挂杆连接。

在同一个实施例中，当开关机构打开时，所述挂杆靠近所述开关机构端向远离所述子级火箭的轴线方向展开，以便所述主挂锁与所述挂架结构连接，且两者连接过程中，所述副挂锁沿其轴线方向的延长线与所述子级火箭的轴线相交。

在同一个实施例中，所述开关机构包含用于关闭所述挂杆的卡夹和用于打开所述挂杆的弹射器。

本发明的实施例，通过采用火箭回收装置，在原有回收轨道、动力系统不变情况下，大幅降低着陆机构重量，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

附图1本发明整箭结构及分离示意图；

附图2本发明固定座，支撑结构和挂架结构组合的示意图；

附图3本发明火箭一子级着陆挂杆，主挂锁,副挂锁打开下降的示意图；

附图4本发明箭体一子级完成着陆时，挂架结构与挂锁机构的示意图；

附图5本发明副挂锁与挂杆的结构示意图；

附图6本发明挂杆打开时，连接锁，箭体一子级和挂杆连接的结构示意图；

附图7本发明开关机构与挂杆卡座连接的俯视图；

附图8本发明弯曲板的俯视图。

附图标记说明：

1二级箭体结构 2火箭一子级结构

3火箭动力尾舱段 4安装架

5挂杆 6挂杆卡座

7主挂锁 8姿态调节机构

9固定座 10支撑结构

11转动架 12减震桶

13伸出架 14防脱档块

15减震器 16连接锁

17副挂锁 18弯曲板

19爆炸螺栓 20活塞

21弹簧 22凹槽

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

现有的液体火箭回收技术，需要在火箭子级上增加例如4个可伸缩的支撑腿，并且配备一套高压气体作动机构。其中，高压气体作动机构用于在待回收的火箭子级接近着陆面时展开支撑腿，无疑增加了火箭系统的复杂性和结构重量。

在火箭起飞阶段，这些增设的机构显然是对火箭飞行无用的死重，降低了火箭的运载能力。此外，采用现有的火箭回收技术，必须在火箭子级降落过程中对火箭子级的速度和姿态进行精确控制，并使火箭子级在触地瞬间速度降低至0，同时姿态保持垂直。同样地，在海上回收火箭时，除了上述对地面回收火箭时的要求外，对海况的要求也比较高。例如，用于火箭回收的船身在子级火箭降落时不能有较大幅度的摆动。

本发明的一个方面提供了一种火箭回收装置，如图2和图4所示，包含固定座9，多个支撑结构10和多个挂架结构。支撑结构10周向均匀排布，且固定设置在固定座9上，支撑结构10底端与固定座9固定连接，顶端通过旋转结构与挂架结构的一端连接，且多个挂架结构的另一端向彼此靠近的方向伸出。

挂架结构用于与待回收火箭接触后，通过旋转结构随待回收火箭向下运动，以缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。本发明提供地火箭回收装置，在回收子级火箭时，无需在待回收子级火箭上设置支撑腿，减轻了子级火箭的重量，且对子级火箭的降落速度和姿态要求较低，降低了火箭回收的难度，提高了火箭子级的回收成功率。

本实施方式中，如图2所示，支撑结构和挂架结构均以4个为例进行说明，而在实际应用时，支撑结构和挂架结构的数量一一对应，且满足支撑结构至少大于3个，更加方便火箭的回收。可以根据需求，适当的调整支撑结构和挂架结构的数量，在此，不再一一举例说明。

需要说明的是，本实施方式中，旋转结构为转轴，挂架结构包含转动架11、伸缩拉杆和防脱档块14；转动架11位于伸缩拉杆的外侧，通过转轴与伸缩拉杆连接，防脱档块14位于伸缩拉杆靠近固定座9中心的内侧。转动架位于转轴的外侧，类似保护罩，避免杂质进入转轴，保证转轴表面整洁，方便转轴转动。

值得一提的是，防脱档块14的设计，使得挂架结构与待回收火箭固定更加牢固，同时防止待回收火箭出现脱钩现象，保证挂架结构与待回收火箭连接紧密，有利于火箭的回收。

特别需要注意的是，为了方便伸缩拉杆根据实际需求进行伸长，例如，伸缩拉杆包含减震桶12和伸出架13，伸出架13一端位于减震桶12内，另一端与远离减震桶12一侧的防脱档块14连接。进一步说明的是，为了使得减震桶12和伸出架13连接紧密，固定牢固，例如，减震桶11为液压阻尼减震桶，伸出架13为与液压阻尼减震桶配合的液压减震杆，液压阻尼减震桶与液压减震杆配合使用相当于液压结构，两者连接紧密，避免伸出架13在受力拉伸过程中脱离减震桶12，提高伸缩拉杆的拉伸强度，保证伸缩拉杆安全使用。另一方面，由于液压阻尼减震桶与液压减震杆配合，方便伸缩拉杆拉伸，同时起到减震作用。

特别值得一提的是，在挂架结构与火箭子级连接时，为了提高挂架结构稳定性，同时缓冲挂架结构所受的作用力，例如，在挂架结构上设有用于保护挂架结构的减震器15。减震器15位于挂架结构的下部，且减震器15一端通过固定架与支撑结构10连接，另一端与挂架结构连接。需要进一步强调的是，为了保证减震器具有高强度，有效支撑挂架结构，例如，减震器15为液压减震器，且液压减震器伸缩方向与支撑结构的长度方向一致。

在本实施方式中，为了保证挂架结构与待回收火箭接触时，作用在待回收火箭的作用力均匀，避免待回收火箭发生倾斜，例如，设计挂架结构靠近固定座9中心一端的延长线与支撑结构10周向排布的中心线重合。

本发明的另一个方面提供了一种液体火箭，如图1，图3，图5和图6所示，包括子级火箭，其中子级火箭远离主发动机一端包括姿态调节机构8和挂锁机构；其中姿态调节机构8用于在子级火箭返回时调节子级火箭的降落姿态，以使挂锁机构连接挂架结构。本发明地液体火箭，结构简单，重量轻，且通过设置姿态调节机构和挂架结构，可以较好的配合火箭回收装置，实现火箭子级的可靠回收。

在同一个实施例中，姿态调节机构8包括格栅翼和姿态控制系统。具体地说，格栅翼用于在子级火箭降落过程中，通过改变形状或位置调整子级火箭受到的气动力，实现对箭体的飞行攻角、姿态的调整，从而确保子级火箭按预定的轨迹及姿态降落；姿态控制系统通过喷气反推的方式产生反作用力实现对子级火箭飞行姿态的调整，保证子级火箭以预定的倾角接触挂架结构。

在同一个实施例中，为了保证待回收火箭完好，避免因与着陆面直接接触，而造成待回收火箭破损。例如，火箭挂锁机构带动挂架结构向下运动至最大距离时，火箭下端面未触及着陆面，从而确保火箭在悬空状态下被回收。

在同一个实施例中，如图1，图5和图6所示，挂锁机构包括安装架4、挂杆5、开关机构、主挂锁7、副挂锁17和挂杆卡座6。其中，安装架4固定设置在子级火箭上，挂杆5一端与安装架4固定连接，另一端通过开关机构与挂杆卡座6连接，主挂锁7周向设置在子级火箭表面，副挂锁17一端与安装架4固定连接，另一端在挂杆4的轴向方向上贯穿挂杆5后与主挂锁7固定连接。即挂杆5可以为空心的圆柱体结构，副挂锁17设置在挂杆5空心部分之内，从而在挂杆5的轴向方向上，副挂锁17可以从挂杆5的两端伸出，并分别与安装架4和主挂锁7连接。

此外，如图6所示，为了限制挂杆5展开角度，例如，子级火箭表面设有连接挂杆的连接锁16，连接锁16一端与子级火箭固定连接，另一端与挂杆5连接。

当开关机构打开时，挂杆5靠近开关机构端向远离子级火箭的轴线方向展开，以便主挂锁7与挂架结构连接。例如，在两者连接过程中，副挂锁17沿其轴线方向的延长线与子级火箭的轴线（子级火箭的轴线）相交。

另外，如图7和图8所示，开关机构包含用于关闭挂杆5的卡夹和用于打开挂杆5的弹射器。具体的说，卡夹包含弯曲板18和爆炸螺栓19构成，弯曲板18位于挂杆5外侧（远离子级火箭的轴线一侧），通过爆炸螺栓19将弯曲板18与挂杆卡座6连接。弹射器包含活塞20和弹簧21，挂杆卡座6上与弯曲板18相对应的区域，设有配合活塞20和弹簧21移动的凹槽22。活塞20和弹簧21沿凹槽22运动并对挂杆5施加远离子级火箭的力，从而在爆炸螺栓19爆炸分离后，推动挂杆5的一端远离子级火箭轴线，并打开主挂锁7。当挂杆5需要打开时，通过控制信号引爆爆炸螺19栓，使得弯曲板18脱落，同时在弹簧21弹力作用下推动活塞20向挂杆5施加推力，使得挂杆5靠近开关机构端向远离子级火箭的轴线方向展开。

本发明的实施例，通过采用火箭回收装置，在原有回收轨道、动力系统不变情况下，大幅降低着陆机构重量，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

为了增加主挂锁，副挂锁17和连接锁16的强度，避免其出现断裂，例如，主挂锁7，副挂锁17和连接锁16均采用凯夫拉纤维编织的软锁用于承担箭体所有质量的挂载。为了减轻挂杆5的重量，且避免其发生弯曲，例如，挂杆5由空心的硬质刚性金属薄壳构成。

具体地，也可以针对液体火箭各级箭体的回收重复使用，如图1，图2，图3，图4和图6所示。以下对本申请的描述以火箭一子级结构为例，其他子级在使用此技术时设计方法相同。具体地说，火箭一子级结构2与二级箭体结构1分离后，通过姿态调节机构8（氮气调姿系统）完成火箭一子级结构2翻转。挂杆5通过卡夹被固定在挂杆卡座6，通过方向舵与矢量发动机控制使得箭体一子级结构2距离固定座9上方约100mm。火箭一子级结构2减速到10m/s左右的速度时，启动位于挂杆卡座6上的弹射器，使得挂杆5打开。此时继续控制箭体一子级结构2下落，并通过氮气调姿系统调姿，火箭动力尾舱段3与固定座9中心对齐，适量减速到5m/s的速度以下时，箭体一子级结构2通过主挂锁7挂在伸出架13上，带动伸出架13与减震器15向下转动。同时减震桶12和伸出架13进行阻尼伸长的两种耦合方式进行整个箭体的减速与减震；另一方面减震器15对减震桶12进行支撑，使得伸出架13下降速度减慢。防脱档块钩住主挂锁，防止箭体一子级结构2下降后因弹力向远离固定座9中心一侧移动而出现脱离，最终完成箭体一子级结构2的着陆并稳定的挂载在地面设备上。以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种火箭回收装置，其特征在于，包含固定座，N个支撑结构和M个挂架结构，其中N≥3，M≥3；

所述支撑结构周向均匀排布，且固定设置在所述固定座上，所述支撑结构底端与所述固定座固定连接，顶端通过旋转结构与所述挂架结构的一端连接，且多个所述挂架结构的另一端向彼此靠近的方向伸出；

所述挂架结构用于与待回收火箭接触后，通过所述旋转结构随待回收火箭向下运动，以缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。

2.根据权利要求1所述的火箭回收装置，其特征在于，所述旋转结构为转轴，所述挂架结构包含转动架、伸缩拉杆和防脱档块；所述转动架位于所述伸缩拉杆的外侧，通过所述转轴与所述伸缩拉杆连接，所述防脱档块位于所述伸缩拉杆靠近所述固定座中心的内侧。

3.根据权利要求2所述的火箭回收装置，其特征在于，所述伸缩拉杆包含减震桶和伸出架，所述伸出架一端位于所述减震桶内，另一端与远离所述减震桶一侧的所述防脱档块连接，所述减震桶为液压阻尼减震桶，所述伸出架为与所述液压阻尼减震桶配合的液压减震杆。

4.根据权利要求1所述的火箭回收装置，其特征在于，所述挂架结构上设有用于保护所述挂架结构的减震器，所述减震器位于所述挂架结构的下部，且所述减震器一端通过固定架与所述支撑结构连接，另一端与所述挂架结构连接。

5.一种液体火箭，其特征在于，包括子级火箭，其中所述子级火箭远离主发动机一端包括姿态调节机构和挂锁机构；其中所述姿态调节机构用于在所述子级火箭返回时调节所述子级火箭的降落姿态，以使所述挂锁机构连接如权利要求1-4任一项所述的火箭回收装置中的所述挂架结构。

6.根据权利要求5所述的液体火箭，其特征在于，所述姿态调节机构包括格栅翼和姿态控制系统；

其中所述格栅翼用于在所述子级火箭降落过程中，通过改变形状或位置调整所述子级火箭受到的气动力，实现对箭体的飞行攻角、姿态的调整，从而确保所述子级火箭按预定的轨迹及姿态降落；所述姿态控制系统通过喷气反推的方式产生反作用力实现对子级火箭飞行姿态的调整，保证所述子级火箭以预定的倾角接触所述挂架结构。

7.根据权利要求6所述的液体火箭，其特征在于，所述挂锁机构包括安装架、挂杆、开关机构、主挂锁、副挂锁和挂杆卡座，其中，所述安装架固定设置在所述子级火箭上，所述挂杆一端与所述安装架固定连接，另一端通过所述开关机构与所述挂杆卡座连接，所述主挂锁周向设置在所述子级火箭表面，所述副挂锁一端与所述安装架固定连接，另一端在所述挂杆的轴向方向上贯穿所述挂杆后与所述主挂锁固定连接。

8.根据权利要求7所述的液体火箭，其特征在于，所述子级火箭表面设有连接所述挂杆的连接锁，所述连接锁一端与所述子级火箭固定连接，另一端与所述挂杆连接。

9.根据权利要求8所述的液体火箭，其特征在于，当开关机构打开时，所述挂杆靠近所述开关机构端向远离所述子级火箭的轴线方向展开，以便所述主挂锁与所述挂架结构连接，且两者连接过程中，所述副挂锁沿其轴线方向的延长线与所述子级火箭的轴线相交。

10.根据权利要求7所述的液体火箭，其特征在于，所述开关机构包含用于关闭所述挂杆的卡夹和用于打开所述挂杆的弹射器。

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