CN111521074B - 便于火箭回收的箭体结构及液体火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提供便于火箭回收的箭体结构及液体火箭，包括子级火箭，子级火箭远离主发动机一端设置挂锁主体，挂锁主体包含固定部，弹射杆，挂锁主体和卡座，固定部周向设置在所述子级火箭表面，且与子级火箭固定连接，弹射杆一端通过旋转器与固定部连接，另一端通过开关机构与卡座连接，挂锁主体用于通过弹射杆折叠设置于子级火箭表面；在子级火箭回的收过程中，弹射杆随开关机构的打开向远离子级火箭轴线方向展开，以带动所述挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对子级火箭的固定回收。同现有技术相比，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

便于火箭回收的箭体结构及液体火箭

技术领域

本发明涉及火箭回收技术领域，尤其涉及一种便于火箭回收的箭体结构及液体火箭。

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，提供一种便于火箭回收的箭体结构及液体火箭，可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，箭体结构通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对所述子级火箭的固定回收。整个过程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。

本发明提供了一种便于火箭回收的箭体结构，包括子级火箭，其中所述子级火箭远离主发动机一端设置挂锁主体，其中，所述挂锁主体包含固定部，弹射杆，挂锁主体和卡座，所述固定部周向设置在所述子级火箭表面，且与所述子级火箭固定连接，所述弹射杆一端通过旋转器与所述固定部连接，另一端通过开关机构与所述卡座连接，所述挂锁主体用于通过所述弹射杆折叠设置于所述子级火箭表面；在所述子级火箭回的收过程中，所述弹射杆随开关机构的打开向远离所述子级火箭轴线方向展开，以带动所述挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对所述子级火箭的固定回收。

在同一个实施例中，所述挂锁主体包含主挂锁和副挂锁，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旋转器连接，另一端在所述弹射杆的轴向方向上贯穿所述弹射杆后与所述主挂锁固定连接。

在同一个实施例中，所述副挂锁拉伸最大值时，所述副挂锁与所述子级火箭连接端的延长线与所述子级火箭的夹角为A,其中，45°≤A≤60°。

在同一个实施例中，所述旋转器为圆柱体结构，所述旋转器沿其轴向且位于中心位置设有用于固定所述副挂锁的固定孔。

在同一个实施例中，当所述开关机构打开时，所述弹射杆向远离所述子级火箭的轴线方向展开，且所述副挂锁与所述子级火箭连接端保持连接状态。

在同一个实施例中，所述旋转器为转轴结构，两端设有固定螺母，所述固定部设有多个并排设置凸部，所述凸部上设有配和所述旋转器转动的通道孔，且所述凸部的外形为L形状，所述转轴穿过所述通道孔后由所述固定螺母限位。

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

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

在同一个实施例中，所述卡夹包括弯曲板和爆炸螺栓，所述弯曲板位于所述弹射杆外侧且远离所述子级火箭的轴线一侧，通过所述爆炸螺栓将所述弯曲板与所述卡座连接；所述弹射器包含活塞和弹簧，所述卡座上与所述弹射杆相对应的区域，设有配合所述活塞和所述弹簧移动的凹槽，增加所述弹簧被压缩的设置，且一端连接所述卡座，另一端连接所述活塞，以对所述弹射杆施加远离所述子级火箭轴线方向的力。

本发明的实施例提供的箭体结构，在所述子级火箭回的收过程中，所述弹射杆随开关机构的打开向远离所述子级火箭轴线方向展开，以带动所述挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对所述子级火箭的固定回收。可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，箭体结构通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对所述子级火箭的固定回收。整个过程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。

本发明还提供一种液体火箭，包括以上任意一项所述便于火箭回收的箭体结构。

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，支撑机构和挂架机构组合的示意图；

附图3本发明火箭一子级着陆弹射杆，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，挂架机构与挂锁主体的示意图；

附图5本发明副挂锁与弹射杆的结构示意图；

附图6本发明弹射杆打开时，连接锁，箭体一子级和弹射杆连接的结构示意图；

附图7本发明开关机构与卡座连接的俯视图；

附图8本发明弯曲板的俯视图；

附图9本发明旋转器的立体图；

附图10本发明凸部的俯视图。

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固定部

5弹射杆 6卡座

7主挂锁 8姿态调节机构

9固定座 10支撑机构

11转动架 12减震桶

13伸出架 14防脱块

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

23加强板 24旋转器

25固定孔 26凸部

27通道孔

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。

本发明的提供了本发明提供了一种便于火箭回收的箭体结构，如图1，图2，图3，图4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设置挂锁主体。其中，

挂锁主体包含固定部4，弹射杆5，挂锁主体和卡座6，固定部4周向设置在子级火箭表面，且与子级火箭固定连接，弹射杆5一端通过旋转器24与固定部4连接，另一端通过开关机构与卡座6连接，挂锁主体用于通过弹射杆5折叠设置于子级火箭表面。

在子级火箭回的收过程中，弹射杆5随开关机构的打开向远离子级火箭轴线方向展开，以带动挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对子级火箭的固定回收。

在同一个实施例中，挂锁主体包含主挂锁7和副挂锁17，主挂锁7周向设置在子级火箭表面，副挂锁17一端与旋转器24连接，另一端在弹射杆5的轴向方向上贯穿弹射杆5后与主挂锁7固定连接。即弹射杆5可以为空心的圆柱体结构，副挂锁17设置在弹射杆5空心部分之内，从而在弹射杆5的轴向方向上，副挂锁17可以从弹射杆5的两端伸出，并分别与固定部4和主挂锁7连接。为了方便固定部与子级火箭表面连接，例如，固定部4为圆柱体结构，且中心部带有通孔，通孔内侧与子级火箭表面相互紧贴，两者焊接或者通过螺栓固定连接。

在同一个实施例中，为了保证副挂锁17受力均匀，合理，例如，副挂锁17拉伸最大值时，副挂锁17与子级火箭连接端的延长线与子级火箭的夹角为A（副挂锁与子级火箭在首端至固定部之间的部分的夹角）,A可以是49°，52°，55°等。经过大量的仿真实验，当45°≤A≤60°时，副挂锁17受力均匀，合理，且不易断裂，保证副挂锁17结构稳定，有利于火箭的回收。

需要指出是，当开关机构打开时，弹射杆5向远离子级火箭的轴线方向展开，且副挂锁17与子级火箭连接端保持连接状态。为了方便打开副挂锁17，例如，旋转器为圆柱体结构。需要进一步说明的是，为了保证副挂锁17与子级火箭连接端连接牢固，旋转器沿其轴向且位于中心位置设有用于固定副挂锁的固定孔25。副挂锁17一端贯穿固定孔25，且此端通过系扣或打结方式防止副挂锁17脱出，即经过系扣或打结端的尺寸大于固定孔25的孔径。当副挂锁17受力时，副挂锁17一端（靠近固定部4的一侧）被限制在固定孔25之内，进而通过固定孔25被固定牢固。

此外，当开关机构打开时，弹射杆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与挂架机构连接。例如，在两者连接过程中，副挂锁17与子级火箭连接端的延长线与轴线（子级火箭的轴线）相交。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。为了减轻弹射杆5的重量，且避免其发生弯曲，例如，弹射杆5由空心的硬质刚性金属薄壳构成。

需要指出的是，如图1，图6，图9和图10所示，例如，旋转器24为转轴结构，两端设有固定螺母，固定部4上设有多个并排设置凸部26，凸部26上设有配和旋转器转动的通道孔27，且凸部26的外形为L形状，转轴穿过通道孔27后由固定螺母限位。

此外，如图6所示，为了限制弹射杆5展开角度，例如，子级火箭表面设有连接弹射杆的连接锁16，连接锁16一端与子级火箭固定连接，另一端与弹射杆5连接。

另外，如图7和图8所示，开关机构包含用于关闭弹射杆5的卡夹和用于打开弹射杆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位于弹射杆5外侧（远离子级火箭的轴线一侧），且远离子级火箭的轴线一侧，通过爆炸螺栓19将弯曲板18与卡座6连接。弹射器包含活塞20和弹簧21，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。弹簧21被压缩的设置，且一端连接卡座6，另一端连接活塞21，以对弹射杆5施加远离子级火箭轴线方向的力。即活塞20和弹簧21沿凹槽22运动并对弹射杆5施加远离子级火箭的力，从而在爆炸螺栓19爆炸分离后，推动弹射杆5的一端远离子级火箭轴线，并打开主挂锁7。此外，当弹射杆5需要打开时，通过控制信号引爆爆炸螺栓19，使得弯曲板18脱落，同时在弹簧21弹力作用下推动活塞20向弹射杆5施加推力，使得弹射杆5靠近开关机构端向远离子级火箭的轴线方向展开。

如图1，图3，图5和图6所示，火箭远离主发动机一端设有姿态调节机构8；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。弹射杆5随开关机构的打开向远离子级火箭轴线方向展开，以带动挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对子级火箭的固定回收。本发明可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，箭体结构通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对子级火箭的固定回收。整个过程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。

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机构。

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，火箭挂锁主体带动挂架机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，避免子级火箭触地受损。

需要提及的是，回收装置由挂架机构和用于固定挂架机构的支撑机构10组成，挂架机构位于支撑机构10的上部，且通过旋转机构与支撑机构10连接，支撑机构10周向等间距排布，挂架机构彼此靠近端向多个支撑机构10围成的中心方向延伸；通过挂架机构用于与待回收火箭上的挂锁主体接触后，固定待回收火箭，完成火箭回收。

本实施方式中，挂架机构包含转动架11、调节杆和拉钩；转动架11位于调节杆的外侧，通过旋转机构与调节杆连接，拉钩位于调节杆靠近多个支撑机构10围成的中心方向一端。转动架11为转轴结构，转轴结构贯穿转动架11和调节杆。转动架11位于转轴结构的外侧，类似保护罩，避免杂质进入转轴，保证转轴结构表面整洁，方便转轴结构转动。

为了使挂架机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，在拉钩上设有防脱块14，保证挂架机构与待回收火箭连接紧密，有利于火箭的回收。

此外，为了方便调节杆根据实际需求进行伸长，例如，调节杆包含减震桶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，提高调节杆的拉伸强度，保证调节杆安全使用。另一方面，由于液压阻尼减震桶与液压减震杆配合，方便调节杆拉伸，同时起到减震作用。

在挂架机构与火箭子级连接时，为了提高挂架机构稳定性，同时缓冲挂架机构所受的作用力，例如，在挂架机构上设有用于保护挂架机构的减震器15。减震器15位于挂架机构的下部，且减震器15一端通过固定架与支撑机构10连接，另一端与挂架机构连接。为了保证减震器具有高强度，有效支撑挂架机构，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机构的长度方向一致。

本实施方式中，如图2所示，支撑机构10和挂架机构均以4个为例进行说明，而在实际应用时，支撑机构10和挂架机构的数量一一对应。根据大量仿真实验，将支撑机构10的数量设计为A个, 当3≤A≤6时，保证待回收火箭受力均匀，在回收过程中，避免待回收火箭沿轴向方向发生倾斜，进而方便火箭的回收，有利于带回收火箭完好。

在本实施方式中，为了保证支撑机构10稳定，方便挂架机构与待回收火箭连接，例如，支撑机构10垂直地设置在着陆表面，使得支撑机10构受力均匀。当挂架机构与待回收火箭的挂锁主体接触过程中，避免支撑机构10倾斜，提高火箭回收的成功率。例如，还可以将支撑机构10远离挂架机构一端固定在固定座9上，固定座9为圆形带孔结构，使得多个支撑机构10一端周向等等间距的嵌入在固定座内，增加支撑机构10周向方向上的力，保证支撑机构10稳定，避免支撑机构10上受力不均匀，而造成支撑机构10倾倒，使得待回收火箭损坏，降低火箭回收的成功率。

如图2和图4所示，为了使得支撑机构10更加稳定。例如，在支撑机构10远离挂架机构一端周向地设有加强板23，加强板23对支撑机构10底部进行支撑，防止支撑机构10倾斜。

在本实施方式中，为了保证挂架机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，设计挂架机构靠近固定座9中心一端的延长线与支撑机构10周向排布的中心线重合。

需要说明的是，本申请的箭体结构既可以设置在一子级上，也可以设置在火箭其它部段，从而对应的完成对其它子级火箭的回收。

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。弹射杆5通过卡夹被固定在卡座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，启动位于卡座6上的弹射器，使得弹射杆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，避免各个承力部分受损。回收装置设置的防脱块钩住主挂锁，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。

本发明还提供一种液体火箭，包含以上任意一项便于火箭回收的箭体结构。

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 (9)

1.一种便于火箭回收的箭体结构，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设置挂锁，其中，

所述挂锁包含固定部，弹射杆，挂锁主体和卡座，所述固定部周向设置在所述子级火箭表面，且与所述子级火箭固定连接，所述弹射杆一端通过旋转器与所述固定部连接，另一端通过开关机构与所述卡座连接，所述挂锁主体用于通过所述弹射杆折叠设置于所述子级火箭表面；

在所述子级火箭回的收过程中，所述弹射杆随开关机构的打开向远离所述子级火箭轴线方向展开，以带动所述挂锁主体打开，通过着陆表面配合设置的回收装置，完成对所述子级火箭的固定回收；

所述挂锁主体包含主挂锁和副挂锁，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旋转器连接，另一端在所述弹射杆的轴向方向上贯穿所述弹射杆后与所述主挂锁固定连接。

2.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述副挂锁拉伸最大值时，所述副挂锁与所述子级火箭连接端的延长线与所述子级火箭的夹角为A,其中，45°≤A≤60°。

3.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述旋转器为圆柱体结构，所述旋转器沿其轴向且位于中心位置设有用于固定所述副挂锁的固定孔。

4.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，当所述开关机构打开时，所述弹射杆向远离所述子级火箭的轴线方向展开，且所述副挂锁与所述子级火箭连接端保持连接状态。

5.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述旋转器为转轴结构，两端设有固定螺母，所述固定部设有多个并排设置凸部，所述凸部上设有配合 所述旋转器转动的通道孔，且所述凸部的外形为L形状，所述转轴结构穿过所述通道孔后由所述固定螺母限位。

6.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述子级火箭表面设有连接所述弹射杆的连接锁，所述连接锁一端与所述子级火箭固定连接，另一端与所述弹射杆连接。

7.根据权利要求1所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述开关机构包含用于关闭所述弹射杆的卡夹和用于打开所述弹射杆的弹射器。

8.根据权利要求7所述的便于火箭回收的箭体结构，其特征在于，所述卡夹包括弯曲板和爆炸螺栓，所述弯曲板位于所述弹射杆外侧且远离所述子级火箭的轴线一侧，通过所述爆炸螺栓将所述弯曲板与所述卡座连接；所述弹射器包含活塞和弹簧，所述卡座上与所述弹射杆相对应的区域，设有配合所述活塞和所述弹簧移动的凹槽，所述弹簧被压缩的设置，且一端连接所述卡座，另一端连接所述活塞，以对所述弹射杆施加远离所述子级火箭轴线方向的力。

9.一种液体火箭，其特征在于：包含权利要求1-8任意一项所述便于火箭回收的箭体结构。

Images