CN112124637B - 一种半主动旋翼式再入返回装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动旋翼式再入返回装置，包括：飞行器本体、N个驱动旋翼装置、M个转动旋翼装置和传动装置；驱动旋翼装置均布在飞行器本体周向，和/或，沿飞行器本体轴向布局；转动旋翼装置均布在飞行器本体周向，和/或，沿飞行器本体轴向布局；驱动旋翼装置与转动旋翼装置之间通过传动装置进行力传递。本发明利用飞行器再入过程的高速气动特性，通过驱动旋翼装置产生动力，经传动装置转化后推动转动旋翼装置旋转，产生阻碍飞行器下降的升力，从而降低飞行器再入的速度；采用半主动的减速方式，能够更为有效地实现飞行器再入过程的气动减速。

Description

一种半主动旋翼式再入返回装置

技术领域

本发明属于飞行器再入返回技术领域，尤其涉及一种半主动旋翼式再入返回装置。

背景技术

随着我国空间技术的发展，飞行器的再入返回需求愈发迫切。飞行器从空间轨道再入返回时，再入速度较高，往往会产生较大的气动加热情况。目前，对于飞行器再入返回，以升力体式气动返回和降落伞式气动返回两种技术为主。升力体式再入返回以航天飞机为代表，再入飞行器采用有翼模式，通过水平飞行的方式，利用飞行器的翼产生升力，延长飞行器的再入行程，从而降低整个再入过程的气动热，减少对防热材料的需求。

另一种方式为降落伞式返回技术。这类返回技术中，飞行器携带有较大的降落伞。在飞行器高速再入时，利用降落伞的气动阻力特性，降低飞行器再入速度，减少气动加热情况。这类飞行器在我国载人飞船，以及早期的再入飞行器中都有使用。

此外，一些近期研究也提出了新的再入返回技术。如，CN102765494用于返回舱再入减速的磁阻力伞中，提供了一种用于返回舱再入减速的磁阻力伞，它利用飞行器高速再入过程中造成电离层等离子体离子的收集电流在返回舱前、后端的不对称性而自动获取电流。电流通过返回舱本体的螺旋线圈产生磁偶极子磁场。磁场对入射的电离层离子产生反射作用而提供返回舱阻力。又如：专利CN104986358(一种增稳充气式再入飞行器)、专利CN106494650A(一种利用液体蒸发充气式的再入飞行器)、专利CN202717036(一种充气再入罩)等，基本思路都是采用充气式再入方案，利用充气等手段，增加飞行器再入时的迎风面，增加阻力，以降低飞行器的再入速度。

总的来说，目前的再入返回技术中，主要是采用被动的减速方式，通过升力体、降落伞或是增大迎风面等方式，降低飞行器再入时的再入速度，以减少再入过程的气动加热。这类方案中，由于严重的气动加热影响，对飞行器的表面热防护材料性能要求极高，热防护系统质量较大，大大限制了再入飞行器的质量规模。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种半主动旋翼式再入返回装置，利用飞行器再入过程的高速气动特性，通过驱动旋翼装置产生动力，经传动装置转化后推动转动旋翼装置旋转，产生阻碍飞行器下降的升力，从而降低飞行器再入的速度；采用半主动的减速方式，能够更为有效地实现飞行器再入过程的气动减速。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种半主动旋翼式再入返回装置，包括：飞行器本体、N个驱动旋翼装置、M个转动旋翼装置和传动装置；

驱动旋翼装置均布在飞行器本体周向，和/或，沿飞行器本体轴向布局；

转动旋翼装置均布在飞行器本体周向，和/或，沿飞行器本体轴向布局；

驱动旋翼装置与转动旋翼装置之间通过传动装置进行力传递；其中，在再入下降过程中，驱动旋翼装置在空气动力驱动下转动，同时转动能量通过传动装置传递至转动旋翼装置，带动转动旋翼装置的转动。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，飞行器本体，包括：头部和主体；

头部与主体的底部连接；

头部采用流线形构型，在再入下降过程中，头部向下，保证再入下降过程的飞行器姿态稳定。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，

当驱动旋翼装置沿飞行器本体周向均布时，飞行器本体，还包括：驱动旋翼支架；其中，驱动旋翼支架沿主体周向均布；驱动旋翼支架的一端与主体连接，另一端与驱动旋翼装置连接；

当驱动旋翼装置沿飞行器本体轴向布局时，驱动旋翼装置设置在主体的顶部、沿主体的轴线均布。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，

当转动旋翼装置沿飞行器本体周向均布时，飞行器本体，还包括：转动旋翼支架；其中，转动旋翼支架沿主体周向均布；转动旋翼支架的一端与主体连接，另一端与转动旋翼装置连接；

当转动旋翼装置沿飞行器本体轴向布局时，转动旋翼装置设置在主体的顶部、沿主体的轴线均布。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，驱动旋翼装置，包括：驱动旋翼旋转轴和至少两片驱动旋翼扇叶；

各驱动旋翼扇叶按设定倾角Ⅰ倾斜安装在驱动旋翼旋转轴的一端上；其中，各驱动旋翼扇叶以驱动旋翼旋转轴的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，转动旋翼装置，包括：转动旋翼旋转轴和至少两个转动旋翼扇叶；

各转动旋翼扇叶按设定倾角Ⅱ倾斜安装在转动旋翼旋转轴的一端上；其中，各转动旋翼扇叶以转动旋翼旋转轴的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，驱动旋翼旋转轴的另一端与转动旋翼旋转轴的另一端通过传动装置连接，传动装置将驱动旋翼旋转轴的转动能量传递至转动旋翼旋转轴；其中，传动装置为齿轮组或链条。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，在再入下降过程中，空气动力驱动所述驱动旋翼扇叶转动，进而带动驱动旋翼旋转轴转动；驱动旋翼旋转轴的转动能量通过传动装置传递至转动旋翼旋转轴，进而带动转动旋翼旋转轴转动；转动旋翼旋转轴的转动带动转动旋翼扇叶转动，产生向上的升力。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，

驱动旋翼旋转轴与转动旋翼旋转轴的转动方向相同或相反；其中，当驱动旋翼旋转轴与转动旋翼旋转轴的转动方向相同时，驱动旋翼扇叶与转动旋翼扇叶的倾斜方向相反；当驱动旋翼旋转轴与转动旋翼旋转轴的转动方向相反时，驱动旋翼扇叶与转动旋翼扇叶的倾斜方向相同；

转动旋翼扇叶的扇叶尺寸大于驱动旋翼扇叶的扇叶尺寸，以提供更多的下降阻力。

在上述半主动旋翼式再入返回装置中，还包括：储能装置和控制器；

储能装置分别与驱动旋翼装置和转动旋翼装置连接，控制器用于对储能装置进行控制；

在再入下降过程中，驱动旋翼装置在空气动力驱动下转动，储能装置将驱动旋翼装置的转动能量转化为电能或机械能后进行存储；

当接收到控制指令，控制器根据控制指令控制储能装置释放存储的电能或机械能，将存储的电能或机械能转化为转动控制力，将转动控制能量加载至转动旋翼装置上，实现对转动旋翼装置的转动速率的控制，进而实现对半主动旋翼式再入返回装置下降速度的半主动控制。

本发明突破了目前再入热防护系统全被动的限制，实现半主动控制再入过程，具有以下优点：

(1)本发明公开了一种半主动旋翼式再入返回装置，利用飞行器再入过程的高速气动特性，通过驱动旋翼装置产生动力，经传动装置转化后推动转动旋翼装置旋转，产生阻碍飞行器下降的升力，从而降低飞行器再入的速度；采用半主动的减速方式，能够更为有效地实现飞行器再入过程的气动减速。

(2)本发明公开了一种半主动旋翼式再入返回装置，可以通过储能装置将再入下降过程中驱动旋翼装置产生的机械能储存；此后，飞行器的控制器可以根据下降速度或外部指令要求，利用储能装置中储存的机械能，控制转动旋翼装置的旋转速度，从而半主动地控制整个飞行器的下降速度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种半主动旋翼式再入返回装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中又一种半主动旋翼式再入返回装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种驱动旋翼装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种转动旋翼装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种齿轮组的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

在本实施例中，该半主动旋翼式再入返回装置，包括：飞行器本体1、N个驱动旋翼装置2、M个转动旋翼装置3和传动装置4。其中，N和M不小于1，具体取值可以根据实际情况确定。

如图1，驱动旋翼装置2可以均布在飞行器本体1周向，转动旋翼装置3可以均布在飞行器本体1周向。如图2，驱动旋翼装置2还可以沿飞行器本体1轴向布局，转动旋翼装置3还可以均布在飞行器本体1周向。其中，需要说明的是，驱动旋翼装置2和转动旋翼装置3在飞行器本体1上的布局方式可以根据实际情况选择，可以是任意一种适当的周向布局+轴向布局的组合布局方式。

进一步的，驱动旋翼装置2与转动旋翼装置3之间通过传动装置4进行能量传递。在再入下降过程中，驱动旋翼装置2在空气动力驱动下转动，同时转动能量通过传动装置4传递至转动旋翼装置3，带动转动旋翼装置3的转动。

在本实施例中，飞行器本体1，包括：头部101和主体102。其中，头部101与主体102的底部连接；头部101采用流线形构型，在再入下降过程中，头部101向下，保证再入下降过程的飞行器姿态稳定。

在本实施例中，如图1所示，当驱动旋翼装置2沿飞行器本体1周向均布时，飞行器本体1，还包括：驱动旋翼支架1031。其中，驱动旋翼支架1031沿主体102周向均布；驱动旋翼支架1031的一端与主体102连接，另一端与驱动旋翼装置2连接。当驱动旋翼装置2沿飞行器本体1轴向布局时，驱动旋翼装置2设置在主体102的顶部、沿主体102的轴线均布。

在本实施例中，如图2所示，当转动旋翼装置3沿飞行器本体1周向均布时，飞行器本体1，还包括：转动旋翼支架1032。其中，转动旋翼支架1032沿主体102周向均布；转动旋翼支架1032的一端与主体102连接，另一端与转动旋翼装置3连接。当转动旋翼装置3沿飞行器本体1轴向布局时，转动旋翼装置3设置在主体102的顶部、沿主体102的轴线均布。

在本实施例中，如图3所示，驱动旋翼装置2具体可以包括：驱动旋翼旋转轴201和至少两片驱动旋翼扇叶202。各驱动旋翼扇叶202按设定倾角Ⅰ(如5°)倾斜安装在驱动旋翼旋转轴201的一端上。其中，各驱动旋翼扇叶202以驱动旋翼旋转轴201的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

在本实施例中，如图4所示，转动旋翼装置3，包括：转动旋翼旋转轴301和至少两个转动旋翼扇叶302。各转动旋翼扇叶302按设定倾角Ⅱ(如5°)倾斜安装在转动旋翼旋转轴301的一端上。其中，各转动旋翼扇叶302以转动旋翼旋转轴301的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

在本实施例中，驱动旋翼旋转轴201的另一端与转动旋翼旋转轴301的另一端通过传动装置4连接，传动装置4将驱动旋翼旋转轴201的转动能量传递至转动旋翼旋转轴301。在再入下降过程中，驱动旋翼扇叶202在空气动力驱动下转动，产生下降的阻力，降低飞行器的下降速度；同时驱动旋翼扇叶202的转动带动驱动旋翼旋转轴201转动；驱动旋翼旋转轴201的转动能量通过传动装置4传递至转动旋翼旋转轴301，进而带动转动旋翼旋转轴301转动；转动旋翼旋转轴301的转动带动转动旋翼扇叶302转动，产生向上的升力，从而进一步降低飞行器的下降速度。

优选的，传动装置4可以为齿轮组或链条。以传动装置4为变速齿轮组为例，如图5，变速齿轮组可以包括：两个端部齿轮(端部齿轮Ⅰ401和端部齿轮Ⅱ403)和一齿轮序列402(可以有多个齿轮级联构成)。其中，端部齿轮Ⅰ401、齿轮序列402、端部齿轮Ⅱ403依次啮合，端部齿轮Ⅰ401可以与驱动旋翼旋转轴201的另一端啮合，端部齿轮Ⅱ403可以与转动旋翼旋转轴301的另一端啮合，进而实现转动能量的传递。

在本实施例中，驱动旋翼旋转轴201与转动旋翼旋转轴301的转动方向相同或相反。其中，当驱动旋翼旋转轴201与转动旋翼旋转轴301的转动方向相同时，驱动旋翼扇叶202与转动旋翼扇叶302的倾斜方向相反；当驱动旋翼旋转轴201与转动旋翼旋转轴301的转动方向相反时，驱动旋翼扇叶202与转动旋翼扇叶302的倾斜方向相同。此外，转动旋翼扇叶302的扇叶尺寸大于驱动旋翼扇叶202的扇叶尺寸，以提供更多的下降阻力。

在本实施例中，该半主动旋翼式再入返回装置还可以包括：储能装置和控制器。其中，储能装置可以由组变压器和蓄电池组构成，设置在飞行器本体1内部，控制器可以由传感器和控制芯片构成，设置在飞行器本体1内部和/或转动旋翼支架1032上。

优选的，储能装置分别与驱动旋翼装置2和转动旋翼装置3连接，控制器用于对储能装置进行控制。在再入下降过程中，驱动旋翼装置2在空气动力驱动下转动，储能装置将驱动旋翼装置2的转动能量转化为电能或机械能后进行存储。当接收到控制指令，控制器根据控制指令控制储能装置释放存储的电能或机械能，将存储的电能或机械能转化为转动控制力，将转动控制力加载至转动旋翼装置3上，实现对转动旋翼装置3的转动速率的控制，进而实现对半主动旋翼式再入返回装置下降速度的控制。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，包括：飞行器本体(1)、N个驱动旋翼装置(2)、M个转动旋翼装置(3)和传动装置(4)；

驱动旋翼装置(2)均布在飞行器本体(1)周向，和/或，沿飞行器本体(1)轴向布局；

转动旋翼装置(3)均布在飞行器本体(1)周向，和/或，沿飞行器本体(1)轴向布局；

驱动旋翼装置(2)与转动旋翼装置(3)之间通过传动装置(4)进行力传递；其中，在再入下降过程中，驱动旋翼装置(2)在空气动力驱动下转动，同时转动能量通过传动装置(4)传递至转动旋翼装置(3)，带动转动旋翼装置(3)的转动；

当驱动旋翼装置(2)沿飞行器本体(1)周向均布时，飞行器本体(1)，还包括：驱动旋翼支架(1031)；其中，驱动旋翼支架(1031)沿主体(102)周向均布；驱动旋翼支架(1031)的一端与主体(102)连接，另一端与驱动旋翼装置(2)连接；当驱动旋翼装置(2)沿飞行器本体(1)轴向布局时，驱动旋翼装置(2)设置在主体(102)的顶部、沿主体(102)的轴线均布；

当转动旋翼装置(3)沿飞行器本体(1)周向均布时，飞行器本体(1)，还包括：转动旋翼支架(1032)；其中，转动旋翼支架(1032)沿主体(102)周向均布；转动旋翼支架(1032)的一端与主体(102)连接，另一端与转动旋翼装置(3)连接；当转动旋翼装置(3)沿飞行器本体(1)轴向布局时，转动旋翼装置(3)设置在主体(102)的顶部、沿主体(102)的轴线均布。

2.根据权利要求1所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，飞行器本体(1)，包括：头部(101)和主体(102)；

头部(101)与主体(102)的底部连接；

头部(101)采用流线形构型，在再入下降过程中，头部(101)向下，保证再入下降过程的飞行器姿态稳定。

3.根据权利要求1所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，驱动旋翼装置(2)，包括：驱动旋翼旋转轴(201)和至少两片驱动旋翼扇叶(202)；

各驱动旋翼扇叶(202)按设定倾角Ⅰ倾斜安装在驱动旋翼旋转轴(201)的一端上；其中，各驱动旋翼扇叶(202)以驱动旋翼旋转轴(201)的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

4.根据权利要求3所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，转动旋翼装置(3)，包括：转动旋翼旋转轴(301)和至少两个转动旋翼扇叶(302)；

各转动旋翼扇叶(302)按设定倾角Ⅱ倾斜安装在转动旋翼旋转轴(301)的一端上；其中，各转动旋翼扇叶(302)以转动旋翼旋转轴(301)的一端为中心均布，构成一旋翼结构。

5.根据权利要求4所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，驱动旋翼旋转轴(201)的另一端与转动旋翼旋转轴(301)的另一端通过传动装置(4)连接，传动装置(4)将驱动旋翼旋转轴(201)的转动能量传递至转动旋翼旋转轴(301)；其中，传动装置(4)为齿轮组或链条。

6.根据权利要求5所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，在再入下降过程中，空气动力驱动所述驱动旋翼扇叶(202)转动，进而带动驱动旋翼旋转轴(201)转动；驱动旋翼旋转轴(201)的转动能量通过传动装置(4)传递至转动旋翼旋转轴(301)，进而带动转动旋翼旋转轴(301)转动；转动旋翼旋转轴(301)的转动带动转动旋翼扇叶(302)转动，产生向上的升力。

7.根据权利要求4所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，

驱动旋翼旋转轴(201)与转动旋翼旋转轴(301)的转动方向相同或相反；其中，当驱动旋翼旋转轴(201)与转动旋翼旋转轴(301)的转动方向相同时，驱动旋翼扇叶(202)与转动旋翼扇叶(302)的倾斜方向相反；当驱动旋翼旋转轴(201)与转动旋翼旋转轴(301)的转动方向相反时，驱动旋翼扇叶(202)与转动旋翼扇叶(302)的倾斜方向相同；

转动旋翼扇叶(302)的扇叶尺寸大于驱动旋翼扇叶(202)的扇叶尺寸，以提供更多的下降阻力。

8.根据权利要求1所述的半主动旋翼式再入返回装置，其特征在于，还包括：储能装置和控制器；

储能装置分别与驱动旋翼装置(2)和转动旋翼装置(3)连接，控制器用于对储能装置进行控制；

在再入下降过程中，驱动旋翼装置(2)在空气动力驱动下转动，储能装置将驱动旋翼装置(2)的转动能量转化为电能或机械能后进行存储；

当接收到控制指令，控制器根据控制指令控制储能装置释放存储的电能或机械能，将存储的电能或机械能转化为转动控制力，将转动控制力加载至转动旋翼装置(3)上，实现对转动旋翼装置(3)的转动速率的控制，进而实现对半主动旋翼式再入返回装置下降速度的半主动控制。

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