CN112265654B - 一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置，包括：飞行器本体；电源组件，设于所述飞行器本体；若干发电旋翼组件，设于所述飞行器本体且与所述电源组件电连接，所述飞行器本体下降过程中空气推动若干所述发电旋翼组件旋转发电，并向所述电源组件充电；若干减速旋翼组件，设于所述飞行器本体且与电源组件电连接，所述电源组件对若干所述减速旋翼组件供电，使其旋转以产生升力降低所述飞行器本体的速度。该再入返回装置可有效降低飞行器本体的再入速度，且其质量小。

Description

一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置

技术领域

本发明属于再入返回技术领域，尤其涉及一种基于能量转换的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。工程上使用的再入返回技术分为三大类，一种为降落伞式再入返回方式，一种为升力体式返回技术，第三种为推力发动机式返回技术。除了上述再入返回技术外，一些新型再入返回技术也得到了广泛关注。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。

降落伞式返回技术可以适应很大的再入速度，但飞行器的着陆速度往往较高；这类返回技术的典型应用对象包括飞船、返回式卫星等。升力体式返回技术能够适应较高的再入速度，且返回质量较大，但飞行器需要较大的再入航程；典型应用如航天飞机等。第三种推力发动机式返回技术需要携带较多的返回燃料，目前主要在可回收运载火箭上使用。

总的来看，目前的返回再入技术中，对飞行器的返回质量、再入速度限制较多。同时，飞行器高速再入返回的气动加热较为严重，需要飞行器表面布置昂贵的耐高温材料，或采取复杂的降温措施。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置，该再入返回装置可有效降低飞行器本体的再入速度，且其质量小。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置，包括：

飞行器本体；

电源组件，设于所述飞行器本体；

若干发电旋翼组件，设于所述飞行器本体且与所述电源组件电连接，所述飞行器本体下降过程中空气推动若干所述发电旋翼组件旋转发电，并向所述电源组件充电；

若干减速旋翼组件，设于所述飞行器本体且与电源组件电连接，所述电源组件对若干所述减速旋翼组件供电，使其旋转以产生升力降低所述飞行器本体的速度。

根据本发明一实施例，包括与若干所述减速旋翼组件均电连接的控制器，所述控制器控制若干所述减速旋翼组件的启动和其转速。

根据本发明一实施例，包括与所述控制器电连接的速度传感器和温度传感器，当所述速度传感器和所述温度传感器检测到的速度和温度达到阀值时，所述控制器控制若干所述减速旋翼组件旋转。

根据本发明一实施例，包括与所述控制器电连接的姿态传感器，所述姿态传感器检测所述飞行器本体的姿态并将姿态数据传输给所述控制器，所述控制器根据所述姿态数据调节若干所述减速旋翼组件的转速以调整姿态。

根据本发明一实施例，若干所述发电旋翼组件和若干所述减速旋翼组件均通过安装支架安装于所述飞行器本体。

根据本发明一实施例，所述安装支架为可折叠支架。

根据本发明一实施例，所述发电旋翼组件包括发电机和发电旋翼，所述发电机设于所述安装支架远离所述飞行器本体的一端，且所述发电机轴与所述发电旋翼转轴相连，所述发电机与所述电源组件电连接。

根据本发明一实施例，所述减速旋翼组件包括电动机和减速旋翼，所述电动机设于所述安装支架远离所述飞行器本体的一端，且所述电动机轴与所述减速旋翼转轴相连，所述电动机与所述电源组件电连接。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实施例中设置飞行器本体、电源组件、若干发电旋翼组件和若干减速旋翼组件，通过飞行器本体下降过程中的空气动能带动发电旋翼组件旋转发电，得到的电能供给减速旋翼组件旋转产生升力以减速，有效降低飞行器本体的再入速度，且实现了能源的自给，无需携带过多的能源组件，使其质量小。发电旋翼组件旋转发电过程中，也可起到一定缓冲作用，以降低下降速度。

(2)本发明实施例中包括与控制器电连接的速度传感器和温度传感器，根据下降过程中的速度和温度控制减速旋翼组件的旋转，以使整个减速缓冲过程更加合理。

(3)本发明实施例中包括姿态传感器，通过实时检测飞行器本体的姿态，并通过控制器调节若干减速旋翼组件的转速，以实现在飞行器本体周侧产生不同的升力，以实现飞行器本体姿态的调整。

(4)本发明实施例中安装支架为可折叠支架，有效减小了整体的包络尺寸。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置轴侧图；

图2为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置发电旋翼示意图；

图3为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置俯视图；

图4为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置局部示意图；

图5为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置透视图；

图6为本发明的一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置部件连接示意图。

附图标记说明：

1：飞行器本体；2：电源组件；3：发电旋翼组件；4：减速旋翼组件；5：安装支架；6：发电机；7：发电旋翼；8：电动机；9：减速旋翼；10：转轴；11：主体；12：头部；13：传感器组件；14：控制器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参看图1至6，本发明的核心是提供一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置，包括飞行器本体1、电源组件2、若干发电旋翼组件3和若干减速旋翼组件4。电源组件2设于飞行器本体1；若干发电旋翼组件3设于飞行器本体1且与电源组件2电连接，飞行器本体1下降过程中空气推动若干发电旋翼组件3旋转发电，并向电源组件2充电；若干减速旋翼组件4设于飞行器本体1且与电源组件2电连接，电源组件2对若干减速旋翼组件4供电，使其旋转以产生升力降低飞行器本体1的速度。

通过飞行器本体1下降过程中的空气动能带动发电旋翼组件3旋转发电，得到的电能供给减速旋翼组件4旋转产生升力以减速，有效降低飞行器本体1的再入速度，且实现了能源的自给，无需携带过多的能源组件，使其质量小。发电旋翼组件3旋转发电过程中，也可起到一定缓冲作用，以降低下降速度。

下面对本发明的基于能量转换的旋翼式再入返回装置作详细说明：

飞行器本体1包括主体11和头部12，头部12与主体11的底部连接。头部12采用流线形构型，在再入下降过程中，头部12向下，保证再入下降过程的飞行器本体1姿态的稳定。

若干发电旋翼组件3和若干减速旋翼组件4均布在主体11圆周外侧，或者沿飞行器本体1轴向布局，再或者周向和轴向的组合布局。且发电旋翼组件3和减速旋翼组件4通过安装支架5与主体11连接，安装支架5一端固连于主体11、另一端外伸且连接有发电旋翼组件3或减速旋翼组件4。且优选的，安装支架5为可折叠支架，飞行器本体1发射时可折叠，有效减小了整体的包络尺寸。

具体的，发电旋翼组件3包括发电机6和发电旋翼7，发电旋翼7至少有2片叶片，本实施例中有3片叶片，3片叶片沿发电旋翼7转轴10均布，且叶片呈倾斜安装状态，发电机6设于安装支架5远离飞行器本体1的一端，且发电机6轴与发电旋翼7转轴10相连，发电机6与电源组件2电连接，在飞行器本体1再入下降过程中空气动能驱动发电旋翼7旋转，空气动能转换成机械能，发电旋翼7旋转带动发电发电，将机械能转换成电能，以实现给电源组件2充电。

减速旋翼组件4包括电动机8和减速旋翼9，且减速旋翼组件4的数量小于发电旋翼组件3，减速旋翼9至少有2片叶片，本实施例中有3片叶片，3片叶片沿减速旋翼9转轴10均布，叶片呈倾斜安装状态，且与发电旋翼7的叶片倾斜方向相反，本实施例中电动机8和发电机6为同一款电机，即可做发电机6用，又可做电动机8用。电动机8设于安装支架5远离飞行器本体1的一端，且电动机8轴与减速旋翼9转轴10相连，电动机8与电源组件2电连接，电源组件2给电动机8供电以带动减速旋翼9旋转，减速旋翼9旋转产生升力以降低飞行器本体1的速度。且减速旋翼9和发电旋翼7的叶片迎风面朝向相反。

电源组件2设于主体11内部，且电源组件2为蓄电池，主体11内部还设有传感器组件13和控制器14，控制器14与若干减速旋翼组件4均电连接的控制器14，控制器14用于控制减速旋翼组件4的启动和其转速。传感器组件13与控制器14电连接，传感器组件13包括速度传感器、温度传感器和姿态传感器，各个传感器将采集到的数据传输给控制器14。

速度传感器和温度传感器检测到的速度和温度达到阀值时，控制器14控制若干减速旋翼组件4旋转。姿态传感器检测飞行器本体1的姿态并将姿态数据传输给控制器14，控制器14根据姿态数据调节若干减速旋翼组件4的转速，由于减速旋翼组件4不同的转速，导致其产生的升力不同，也就是说在飞行器本体1周侧的不同位置有不同的升力，以实现调整姿态。

下面对本发明工作过程作进一步说明：

在飞行器本体1再入返回下降过程中，由于空气动力的作用带动发电旋翼7旋转，发电旋翼7驱动发电机6旋转发电，发电机6向电源组件2充电。

同时，各个传感器采集下降过程中的数据，当速度传感器和温度传感器检测到的速度和温度达到阀值时，控制器14控制若干减速旋翼组件4旋转减速。姿态传感器检测到飞行器本体1姿态变化时，控制器14调节若干减速旋翼组件4的转速，以调整飞行姿态。

本发明利用飞行器本体1再入过程的高速气动特性，通过发电旋翼组件3将空气动能转换成电能存储后，根据需要主动控制减速旋翼组件4旋转，产生阻碍飞行器本体1下降的升力，降低飞行器本体1再入的速度，减少对飞行器本体1再入过程的热防护系统的需求，以及控制各减速旋翼组件4的转速以调节飞行器本体1的姿态。

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速度及姿态，能够更为有效地实现飞行器本体1再入过程的气动减速及再入过程的姿态控制。且不再采用齿轮系统传动，大大减少了齿轮系统的传递效率要求，降低总质量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于能量转换的旋翼式再入返回装置，其特征在于，包括：

飞行器本体；

电源组件，设于所述飞行器本体；

若干发电旋翼组件，设于所述飞行器本体且与所述电源组件电连接，所述飞行器本体下降过程中空气推动若干所述发电旋翼组件旋转发电，并向所述电源组件充电；

若干减速旋翼组件，设于所述飞行器本体且与电源组件电连接，所述电源组件对若干所述减速旋翼组件供电，使其旋转以产生升力降低所述飞行器本体的速度；

包括与若干所述减速旋翼组件均电连接的控制器，所述控制器控制若干所述减速旋翼组件的启动和其转速；

包括与所述控制器电连接的速度传感器和温度传感器，当所述速度传感器和所述温度传感器检测到的速度和温度达到阀值时，所述控制器控制若干所述减速旋翼组件旋转；

包括与所述控制器电连接的姿态传感器，所述姿态传感器检测所述飞行器本体的姿态并将姿态数据传输给所述控制器，所述控制器根据所述姿态数据调节若干所述减速旋翼组件的转速以调整姿态；

若干所述发电旋翼组件和若干所述减速旋翼组件均通过安装支架安装于所述飞行器本体；

所述发电旋翼组件包括发电机和发电旋翼，所述发电机设于所述安装支架远离所述飞行器本体的一端，且所述发电机轴与所述发电旋翼转轴相连，所述发电机与所述电源组件电连接；

所述减速旋翼组件包括电动机和减速旋翼，所述电动机设于所述安装支架远离所述飞行器本体的一端，且所述电动机轴与所述减速旋翼转轴相连，所述电动机与所述电源组件电连接。

2.根据权利要求1所述的基于能量转换的旋翼式再入返回装置，其特征在于，所述安装支架为可折叠支架。