CN112046775A - 一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统及着陆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，包括着陆平台、升降装置和冷却系统；所述升降装置包括充放气装置、气囊、升降机和升降平台；所述升降机安装在着陆平台上，升降平台安装在升降机的上端，所述充放气装置与气囊连接，用于为气囊充气和放气，气囊位于升降平台的下方，并与升降平台接触，升降机和气囊配合，以推动升降平台上下活动；所述冷却系统配置为向升降平台提供冷却液，以为升降平台降温。本发明还涉及一种利用上述的喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统的着陆方法，本发明可以提高飞行器着陆时的成功率，降低飞行器着陆时的能量消耗。

Description

一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统及着陆方法
技术领域
本发明涉及航天航空领域，尤其是一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统及着陆方法。
背景技术
现有的火箭回收技术，以美国SpaceX公司的垂直回收技术最为成熟，其主要利用火箭发动机的推力，并通过控制火箭着陆时的姿态，使火箭稳定地降落至回收平台上，在火箭降落过程中，由于火箭的造型细长，落地姿态不正很容易倒下，导致回收失败，而且在火箭接近回收平台时，由于火箭尾部产生的高温气体会形成气垫，导致火箭的姿态不容易控制，尤其是在海面上，回收过程更加困难，另一方面，火箭从快速降落到速度为零全部由火箭自身燃料燃烧产生的反推力减速，所以燃料消耗大，需要预留足够的燃料用于降落，导致火箭的有效载荷降低了很多。
鉴于此提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，可以有效提高飞行器回收的成功率，同时降低回收中的燃料消耗。
本发明的另一个目的在于提供一种利用上述喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统的着陆方法。
为了实现第一目的，本发明采用如下技术方案：
一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，包括着陆平台、升降装置和冷却系统；
所述升降装置包括，充放气装置、气囊、升降机和升降平台；
所述升降机安装在着陆平台上，升降平台安装在升降机的上端，所述充放气装置与气囊连接，用于为气囊充气和放气，气囊位于升降平台的下方，并与升降平台接触，所述升降机和气囊配合，以推动升降平台上下活动，在飞行器着陆时，所述充放气装置配置为对气囊进行放气，使升降平台缓慢下降；
所述冷却系统配置为向升降平台提供冷却液，以为升降平台降温。
进一步，还包括捕捉绳系统，所述捕捉绳系统包括，
位于着陆平台上方的环形支撑体，用于支撑环形支撑体的多个支撑柱，安装在环形支撑体或支撑柱上的牵引装置和与牵引装置连接的捕捉绳；所述支撑柱与着陆平台垂直连接，多个支撑柱间隔设置并分布在环形支撑体的四周，并与环形支撑体连接；所述牵引装置可以通过牵引捕捉绳以对降落中的飞行器进行扶正。
进一步，所述牵引装置包括，环形轨道，位于环形轨道上的多对牵引车，所述捕捉绳连接在成对牵引车之间；所述牵引车上设有绞盘可以对捕捉绳进行收放；
所述环形支撑体的断面形状为E字形，所述环形轨道为双层，并安装在环形支撑体内部，所述牵引车至少为两对，并分布在不同高度的轨道上，捕捉绳从环形支撑体的侧开口处伸出，且在成对的牵引车相互靠近时，所述捕捉绳可以缩回至环形支撑体内部。
进一步，所述环形支撑体上还安装有升降电机，所述升降电机通过传动装置与支撑柱配合，以驱动环形支撑体沿着支撑柱上下移动。
进一步，所述牵引装置包括，固定安装在支撑柱上的多个电动绞盘，与电动绞盘连接的牵引绳，以及与牵引绳连接的半圆形卡箍；所述电动绞盘至少为三个，并呈三角形分布，所述捕捉绳的两端分别与一电动绞盘连接，所述卡箍套设在捕捉绳上，卡箍的中部通过牵引绳与另一电动绞盘连接。
进一步，所述环形支撑体包括主体结构和一开合结构，该开合结构通过转轴与主体结构连接，转动开合结构，可以将环形支撑体打开。
进一步，所述环形支撑体的内周侧可滑动地安装有一保护罩，所述保护罩可以沿着环形支撑体上下滑动。
进一步，所述冷却系统包括喷淋装置和供水单元，所述喷淋装置安装在环形支撑体上，并配置为向升降平台喷水，所述供水单元配置为向喷淋装置供水。
进一步，所述升降平台内部设有空腔，升降平台的表面设有若干通气孔，并与空腔相连通，所述升降平台的上表面还设有栅格结构，所述飞行器底部支撑脚上设有与栅格结构配合的定位柱。
进一步，所述充放气装置包括空压机，所述空压机通过进气管路与气囊连接，在进气管路上设有进气阀，所述气囊上还连接有一排气管路，所述排气管路上安装有一排气阀，排气管路与外部大气连通。
进一步，所述升降机为剪式升降机，或者所述升降机为液压升降杆，且液压升降杆的数量至少为三根。
进一步，所述气囊外侧设有一可伸缩导向的保护壳。
进一步，所述着陆平台为陆地着陆平台或者为海上着陆平台。
为了实现第二目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用上述的喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统的着陆方法，包括以下步骤：
步骤一、将气囊进行充气，并配合升降机将升降平台上升至最高位置；
步骤二、控制飞行器垂直降落至升降平台的上方，且两者之间保持一定空隙，使飞行器尾部喷出的高温高压气体形成保护气垫，同时向升降平台提供冷却水进行降温；
步骤三、对气囊进行放气，并通过调节放气速度使升降平台的下降速度与飞行器的下降速度保持一致，或者升降平台的下降速度略小于飞行器的下降速度，以使两者之间的空隙逐渐缩小；
步骤四、飞行器与升降平台在下降的过程中发生接触，并在两者接触后关闭飞行器的发动机，由升降平台带动飞行器继续下降，并在到达升降平台的最低位置后停止下降；
所述着陆方法还包括，在飞行器降落过程中，当飞行器发生歪斜时，所述牵引车牵引着捕捉绳与飞行器接触，并对飞行器施加与歪斜方向相反的作用力，以对降落中的飞行器进行扶正。
采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果：
1、本发明在飞行器降落的末段，通过升降平台提前与飞行器接触，可以降低降落过程中的燃料消耗量，有利于提高飞行器的有效载荷。
2、在飞行器降落过程中，当飞行器发生歪斜时，本发明的捕捉绳系统可以对飞行器进行扶正，避免因飞行器歪斜而导致回收失败，有效提高了飞行器回收的成功率。
3、由于本发明的捕捉绳系统提高了飞行器降落时的稳定性，因此飞行器自身的支撑脚可以设计地更小，减小了负载，使得发射成本更低。
附图说明
图1：本发明实施例一的主视图；
图2：本发明实施例一的结构图；
图3：本发明实施例一的俯视图；
图4：为图3的A-A面剖视图；
图5：为图4的Y局部放大图；
图6：本发明实施例一的升降装置的结构简图；
图7：本发明实施例一在飞行器刚开始着陆时的示意图；
图8：本发明实施例一在飞行器着陆后的示意图；
图9：本发明实施例二在飞行器刚开始着陆时的示意图；
图10：为图9去掉气囊和保护壳后的结构图；
图11：为图9的K局部放大图；
图12：为本发明的实施例二在飞行器着陆后的示意图；
图13：为图12的H局部放大图；
图14：为图12的G局部放大图；
其中：1、着陆平台 2、升降装置 3、捕捉绳系统 4、冷却系统 21、充放气装置 22、气囊 23、升降机 24、升降平台 25、排气装置 26、进气阀 27、排气阀28、安全阀 29、保护壳31、环形支撑体 32、支撑柱 33、环形轨道 34、牵引车35、捕捉绳 36、升降电机 37、保护罩38、卡箍 39、牵引绳 300、电动绞盘 41、蓄水池 42、水箱 43、喷淋装置 24a、通气孔 31a、开合结构 100、定位柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
实施例一
如图1至图8所示，一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，包括着陆平台1、升降装置2、捕捉绳系统3和冷却系统4。本实施例中的所述着陆平台1为陆地着陆平台，固定在地面上。
所述升降装置2包括充放气装置21、气囊22、升降机23和升降平台24。
所述升降机23安装在着陆平台1上，升降平台24安装在升降机23的上端，且水平设置。所述充放气装置21与气囊22连接，用于为气囊22充气和放气，气囊22位于升降平台24的下方，并与升降平台24接触，当气囊22充气时，将推动升降平台24上升，气囊22放气时，升降平台24下降。所述升降机23与气囊22配合，升降机23一方面可以辅助气囊22推动升降平台24上升，另一方面用于维持升降平台24的稳定，使升降平台24始终保持水平。
具体地，所述充放气装置21包括空压机，所述空压机通过进气管路与气囊22连接，在进气管路上设有进气阀26；所述气囊22上还连接有一排气管路，所述排气管路上安装有一排气阀27，排气管路与外部大气连通。为提高充气速度，所述空压机的数量可以为多台。优选地，在气囊22上还安装有安全阀28，当气囊22内的压力达到一定值后，安全阀28打开为气囊22泄气。
优选地，在气囊22外侧还设有一可伸缩导向的保护壳29，用于保护气囊22，保护壳29同时支撑气囊22承受飞行器的冲击，并通过排气阀27开启放气以释放飞行器冲击产生的压力。
所述捕捉绳系统3包括：环形支撑体31、支撑柱32、牵引装置、捕捉绳35、升降电机36。所述牵引装置包括环形轨道33和牵引车34。所述环形支撑体31为环形结构体，其断面形状为E字形，内周侧设有一圈侧开口，环形支撑体31通过支撑柱32支撑在着陆平台1的上方。
所述环形轨道33为上下两层，并对应安装在环形支撑体31内部空间的上下两侧，上下两层轨道均为水平设置；所述牵引车34位于环形支撑体31内部，并位于环形轨道33上，捕捉绳35从环形支撑体31的侧开口伸出，牵引车34可以沿着环形轨道33移动。所述牵引车34的数量至少为两对，优选数量为四对，并均匀分布在上下两层轨道上，即每层轨道上分别有两对牵引车34。所述捕捉绳35的两端分别与一牵引车34连接，在牵引车34上设有绞盘可以对捕捉绳35进行收放，当飞行器在降落过程中发生歪斜时，牵引车34拉动捕捉绳35从环形支撑体31的侧开口处伸出，并与飞行器接触，并提供与飞行器歪斜方向相反的支撑力，四组捕捉绳35相互配合将飞行器扶正。当捕捉绳35不用时，与同一根捕捉绳35连接的两牵引车34相互靠近，并同时通过绞盘回收捕捉绳35，使捕捉绳35缩回至环形支撑体31的内部。优选地，所述环形支撑体31的侧开口处可滑动地安装有一保护罩37，所述保护罩37可以沿着环形支撑体31上下滑动，以封闭环形支撑体31上的侧开口。
所述支撑柱32的数量为多个，并与着陆平台1垂直连接，所述环形支撑体31可以沿着支撑柱32上下移动，以调节捕捉绳35的高度，适应不同尺寸的飞行器。具体地，多个支撑柱32间隔设置并分布在环形支撑体31的四周，以使环形支撑体31受力均匀。所述升降电机36安装在环形支撑体31上，升降电机36通过传动装置与支撑柱32配合，以驱动环形支撑体31沿着支撑柱32上下移动，其中一种传动装置的实现方式可以为升降电机36的转轴上安装有齿轮，支撑柱32上设有齿条，当升降电机36的转轴旋转时，齿轮沿着齿条滚动，带动环形支撑体31上下移动。
所述冷却系统4用于向升降平台24提供冷却液，以为升降平台24降温。具体地，所述冷却系统4包括喷淋装置43和供水单元，所述喷淋装置安装在环形支撑体31上，所述供水单元包括蓄水池41、水箱42和水泵(图中未示出)。蓄水池41设置在着陆平台1上，所述水箱42安装在环形支撑体31的顶部，水箱42和蓄水池41通过水泵和软管连接，所述水泵将蓄水池41内的水泵入至水箱42中存储，所述喷淋装置43与水箱42连接，并配置为向升降平台24喷水。
在其它实施方式中，所述冷却系统4还可以采用其它方式向升降平台24提供冷却液，如在升降平台24内部设置换热管，通过向换热管内提供冷却水使升降平台24降温。
优选地，所述升降平台24内部设有空腔，可以容纳一定量的冷却水，在升降平台24的表面设有若干通气孔24a，并与空腔相连通，所述冷却系统4喷洒的冷却水通过通气孔24a进入升降平台24内部，用于为升降平台24降温。
优选地，所述升降平台24的侧壁上还设有排气孔，并通过软管与排气装置25连接，排气装置25包括鼓风机和烟囱，升降平台24内的冷却水受热后蒸发，然后被鼓风机抽走，并通过烟囱排入大气中，以避免大量水蒸气环绕飞行器，影响飞行器的降落。
所述升降机23为剪式升降机，当升降平台24需要上升时，剪式升降机与气囊22共同推动升降平台24上升，同时剪式升降机还起到保持升降平台24稳定的作用，在升降平台24下降时下，主要通过控制气囊22的放气速度来控制升降平台24的下降速度，剪式升降机只起到维持升降平台24稳定的作用。
所述升降机可以安装在气囊22内部，从气囊22内部对升降平台24进行支撑，或者升降机22也可以安装在气囊22外部。
实施例二
结合图9和图12所示，本实施例相对实施例一结构更加简化，主要应用在海上回收飞行器，所述着陆平台4为海上着陆平台，可以安装在舰船上，在海面移动。本实施例的环形支撑体31与支撑柱32为固定连接，为便于在飞行器着陆后将其移出，所述环形支撑体31包括主体结构和一开合结构31a，该开合结构31a通过转轴与主体结构连接，当需要将飞行器移出时，转动开合结构31a，可以将环形支撑体31打开，以便于将飞行器移走。
结合图13和图14所示，本实施例中的所述牵引装置包括，固定安装在支撑柱上的多个电动绞盘300，与电动绞盘300连接牵引绳39，以及与牵引绳39连接的半圆形卡箍38。所述环形支撑体31上设有贯通的开口以供捕捉绳35和牵引绳39穿过，所述电动绞盘300至少为三个，并呈三角形分布，优选地，所述电动绞盘300的数量为六个，并分为两组，并呈正六边形分布。所述捕捉绳35的两端分别与一电动绞盘300连接，所述卡箍38套设在捕捉绳35上，其中部通过牵引绳39与另一电动绞盘300连接，捕捉绳35与牵引绳39配合，使卡箍38处于三点受力状态，以保持平稳。所述卡箍38用于与飞行器接触，通过拉紧牵引绳39，可以使卡箍38保持水平状态。
结合图10所示，本实施例的升降机23为液压升降杆，且液压升降杆的数量至少为三根，当升降平台24需要上升时，液压升降杆与气囊22共同推动升降平台24上升，同时液压升降杆还起到保持升降平台24稳定的作用，在升降平台24下降时下，主要通过控制气囊22的放气速度和液压升降杆的放油速度来控制升降平台24的下降速度。
结合图11所示，优选地，所述升降平台24的上表面还可以设置栅格结构，所述飞行器底部支撑脚上设有与栅格结构配合的定位柱100，当飞行器降落至升降平台24上时，定位柱100插入至栅格结构内，以防止飞行器发生侧滑。所述定位柱100的结构可以为固定式或者也可以为伸缩结构，如可采用直升机液压锁定鱼叉结构，在定位柱100的端部边缘设有倒角，以便于定位柱100插入至栅格结构内，并在舰船上快速锁定。
本发明还涉及一种利用上述的喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统的着陆方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将气囊22进行充气，并配合升降机23将升降平台24上升至最高位置；
步骤二、控制飞行器垂直降落至升降平台24的上方，且两者之间保持一定空隙，使飞行器尾部喷出的高温高压气体形成保护气垫，同时向升降平台24提供冷却水进行降温；
步骤三、对气囊22进行放气，并通过调节放气速度使升降平台24的下降速度与飞行器的下降速度保持一致，或者升降平台24的下降速度略小于飞行器的下降速度，以使两者之间的空隙逐渐缩小；
步骤四、飞行器与升降平台24在下降的过程中逐渐缩小距离，并发生接触，在两者接触后关闭飞行器的发动机，由升降平台24带动飞行器继续下降，并在到达升降平台24的最低位置后停止下降；
所述着陆方法还包括，在飞行器降落过程中，当飞行器发生歪斜时，所述牵引装置牵引着捕捉绳35与飞行器接触，并对飞行器施加与歪斜方向相反的作用力，以对降落中的飞行器进行扶正。
优选地，在步骤一中，当升降平台24上升至最高位置时，冷却系统4向升降平台24提供一部分冷却水，进行预冷降温。
在步骤三中，当飞行器下降至一定高度，且未与升降平台24接触时，升降平台24便开始向下运动，这样可以起到缓冲效果，避免飞行器尾部喷出的高温气体形成不稳定的气垫。
在步骤四中，通过控制升降平台24的下降速度，使飞行器在下降的过程中与升降平台24发生接触，降低降落过程中的冲击。
所述捕捉绳35为上下两对，因此可以在多个方向上对飞行器的姿势进行调整，避免飞行器发生歪倒，飞行器在降落过程中，可以相对捕捉绳35上下滑动。
优选地，在步骤四中，当飞行器与升降平台接触时，飞行器底部支撑脚上的定位柱插入至格珊结构中，起到限制飞行器滑动的作用。
本发明上述飞行器主要指火箭，当然本发明也可以应用于喷气式飞机或者其它具有喷气式发动机的飞行器。
以上所述为本发明的实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：包括着陆平台、升降装置和冷却系统；
所述升降装置包括，充放气装置、气囊、升降机和升降平台；
所述升降机安装在着陆平台上，升降平台安装在升降机的上端，所述充放气装置与气囊连接，用于为气囊充气和放气，气囊位于升降平台的下方，并与升降平台接触，所述升降机和气囊配合，以推动升降平台上下活动，在飞行器着陆时，所述充放气装置配置为对气囊进行放气，使升降平台缓慢下降；
所述冷却系统配置为向升降平台提供冷却液，以为升降平台降温。
2.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：还包括捕捉绳系统，所述捕捉绳系统包括，
位于着陆平台上方的环形支撑体，用于支撑环形支撑体的多个支撑柱，安装在环形支撑体或支撑柱上的牵引装置和与牵引装置连接的捕捉绳；所述支撑柱与着陆平台垂直连接，多个支撑柱间隔设置并分布在环形支撑体的四周，并与环形支撑体连接；所述牵引装置可以通过牵引捕捉绳以对降落中的飞行器进行扶正。
3.根据权利要求2所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：
所述牵引装置包括，环形轨道，位于环形轨道上的多对牵引车，所述捕捉绳连接在成对牵引车之间；所述牵引车上设有绞盘可以对捕捉绳进行收放；
所述环形支撑体的断面形状为E字形，所述环形轨道为双层，并安装在环形支撑体内部，所述牵引车至少为两对，并分布在不同高度的轨道上，捕捉绳从环形支撑体的侧开口处伸出，且在成对的牵引车相互靠近时，所述捕捉绳可以缩回至环形支撑体内部。
4.根据权利要求3所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述环形支撑体上还安装有升降电机，所述升降电机通过传动装置与支撑柱配合，以驱动环形支撑体沿着支撑柱上下移动。
5.根据权利要求2所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述牵引装置包括，固定安装在支撑柱上的多个电动绞盘，与电动绞盘连接的牵引绳，以及与牵引绳连接的半圆形卡箍；所述电动绞盘至少为三个，并呈三角形分布，所述捕捉绳的两端分别与一电动绞盘连接，所述卡箍套设在捕捉绳上，卡箍的中部通过牵引绳与另一电动绞盘连接。
6.根据权利要求5所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述环形支撑体包括主体结构和一开合结构，该开合结构通过转轴与主体结构连接，转动开合结构，可以将环形支撑体打开。
7.根据权利要求3或5所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述环形支撑体的内周侧可滑动地安装有一保护罩，所述保护罩可以沿着环形支撑体上下滑动。
8.根据权利要求2所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述冷却系统包括喷淋装置和供水单元，所述喷淋装置安装在环形支撑体上，并配置为向升降平台喷水，所述供水单元配置为向喷淋装置供水。
9.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述升降平台内部设有空腔，升降平台的表面设有若干通气孔，并与空腔相连通，所述升降平台的上表面还设有栅格结构，所述飞行器底部支撑脚上设有与栅格结构配合的定位柱。
10.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述充放气装置包括空压机，所述空压机通过进气管路与气囊连接，在进气管路上设有进气阀，所述气囊上还连接有一排气管路，所述排气管路上安装有一排气阀，排气管路与外部大气连通。
11.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述升降机为剪式升降机，或者所述升降机为液压升降杆，且液压升降杆的数量至少为三根。
12.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述气囊外侧设有一可伸缩导向的保护壳。
13.根据权利要求1所述的一种喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统，其特征在于：所述着陆平台为陆地着陆平台或者为海上着陆平台。
14.一种利用如权利要求2-13任一项所述的喷气式飞行器垂直软着陆辅助系统的着陆方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将气囊进行充气，并配合升降机将升降平台上升至最高位置；
步骤二、控制飞行器垂直降落至升降平台的上方，且两者之间保持一定空隙，使飞行器尾部喷出的高温高压气体形成保护气垫，同时向升降平台提供冷却水进行降温；
步骤三、对气囊进行放气，并通过调节放气速度使升降平台的下降速度与飞行器的下降速度保持一致，或者升降平台的下降速度略小于飞行器的下降速度，以使两者之间的空隙逐渐缩小；
步骤四、飞行器与升降平台在下降的过程中发生接触，并在两者接触后关闭飞行器的发动机，由升降平台带动飞行器继续下降，并在到达升降平台的最低位置后停止下降；
所述着陆方法还包括，在飞行器降落过程中，当飞行器发生歪斜时，所述牵引装置牵引着捕捉绳与飞行器接触，并对飞行器施加与歪斜方向相反的作用力，以对降落中的飞行器进行扶正。
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