CN113022840B - 一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇及回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇和回收方法，包括柔性飞艇本体和飞艇变体装置；柔性飞艇本体包括气囊和翼舵；气囊折叠收纳在运载火箭整流罩的内腔中，且气囊的中部两侧固定安装在两个整流罩半壳的头部内侧壁面上；飞艇变体装置包括横向伸缩机构和若干个纵向支撑伸缩机构；横向伸缩机构包括横向伸缩杆和横向伸缩驱动装置；横向伸缩杆的前端和尾端均能在沿自身轴向伸缩；若干个纵向支撑伸缩机构沿横向伸缩杆的轴向均匀固定套设；每个纵向支撑伸缩机构的外缘端部均与气囊内壁相连接，且均能以横向伸缩杆为中心，向四周自由伸缩。本发明能两个整流罩半壳的同时回收，且回收过程下落速度可靠，落点可控。

Description

一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇及回收方法

技术领域

本发明涉及运载火箭领域，特别是一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇及回收方法。

背景技术

火箭整流罩是在发射过程中封装有效载荷的半球状结构。它在火箭最初的上升过程中保护有效载荷，然后在空中分解成两半落回地球。

整流罩由于要保证结构强度、承受飞行过程中的气动加热，还要越轻越好且保证全透波能力，故整流罩造价极其昂贵，如 Spacex的整流罩价值为600万美元。所以，整流罩的回收成为各个航天大国提高航天事业可持续发展能力的问题，相比于直接抛掉整流罩，回收整流罩既一方面可以降低成本，另外重要的是，因为现在整流罩的生产是限制火箭批量发射的一个主要因素。整流罩回收后，在后续发射中再次使用，能够提高火箭发射频率，也即能提升卫星快速发射反应的国防能力。

在航天运载器发射领域中，其中最引人关注的是如何实现运载火箭的重复使用以降低发射成本。目前国际上对整流罩的回收技木还不是很成熟，主要是美国 Spacex公司猎鹰重型火箭对整流罩的回收。美国 Space X公司猎鹰九号火箭整流罩回收，采用了伞降提供减速、末端捕获船追踪接近的方式，并通过实践应用论证了一种具有一定可行性的整流罩回收方案。

然而，美国 Space x公司猎鹰九号火箭整流罩回收并不完美，还存在这如下方面的不足：

1、由于可回收整流罩不具备自主的控制系统，每半个整流罩都配置了导航系统，小型推进器和翼伞，用于控制整流罩的下降，这种回收方式不仅要求回收整流罩的整个过程拥有极其精确的导航定位，且配备灵活机动的水面回收船及其复杂的回收系统以保障抓住从天而降的半块整流罩的准确性和时间上低延迟性，导致回收捕获难度大，对捕获机构提岀很高的机动缓冲等技术要求，成功率较低。

2、这种回收方式是以半个整流罩为单位的回收，意味着要回收整块整流罩就需要至少配备两个以上的上述复杂的回收体系，回收成本较高。

3、将美国各个火箭发射场与我国各个发射场对比，就可以明显发现地理位置周围地形有很大差别，美国大部分发射场靠近海边且周围有便利的大型港口，可以方便大型船只的停靠和出发，而我国大部分发射基地都深居我国内地，且周围地形复杂并不利于车辆的灵活移动到任意一个整流罩可能落下的位置。故而，照搬美国 Spacex公司的方法是不容易有效实现整流罩的回收。

针对这一现状，急需发明一种新的整流罩回收装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇及回收方法，该用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇及回收方法能两个整流罩半壳的同时回收，且回收过程下落速度可靠，落点可控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇，包括柔性飞艇本体和飞艇变体装置。

运载火箭整流罩包括两个整流罩半壳和将两个整流罩半壳可拆卸连接的锁合机构。

柔性飞艇本体包括气囊和设置在气囊尾端的翼舵。气囊折叠收纳在运载火箭整流罩的内腔中，且气囊的中部两侧固定安装在两个整流罩半壳的头部内侧壁面上。

飞艇变体装置设置在气囊内部，包括横向伸缩机构和若干个纵向支撑伸缩机构。

横向伸缩机构位于气囊的中心轴线上，横向伸缩机构包括横向伸缩杆和横向伸缩驱动装置。横向伸缩杆的前端和尾端均能在对应横向伸缩驱动装置的作用下，沿自身轴向伸缩。

若干个纵向支撑伸缩机构沿横向伸缩杆的轴向均匀固定套设。

每个纵向支撑伸缩机构的外缘端部均与气囊内壁相连接，且均能以横向伸缩杆为中心，向四周自由伸缩。

横向伸缩杆的尾端从气囊尾端伸出，并安装有推进机扇。

每个纵向支撑伸缩机构均为十字机构，十字机构的四条径向臂均能自由伸缩。

横向伸缩杆包括中间横杆和位于中间横杆两侧的若干节横杆节段，中间横杆和横杆节段的直径从中间向两侧逐渐递减，中间横杆和每节横杆节段的外周各固定套设一个纵向支撑伸缩机构。

横向伸缩驱动装置为液压装置和液压作动筒。

一种采用柔性变体飞艇回收运载火箭整流罩的方法，包括如下步骤。

步骤1、柔性变体飞艇收拢：在运载火箭上升阶段，柔性变体飞艇收拢于整流罩的内腔中，柔性变体飞艇的气囊中部两侧分别与两个整流罩半壳的头部内侧壁面固定连接。

步骤2、整流罩与卫星脱离：当运载火箭抛整流罩时，整流罩整体过顶分离，直到完全与卫星脱离。

步骤3、整流罩自身分离：打开两个整流罩半壳之间的锁合机构，整流罩将分离形成两个整流罩半壳。

步骤4、柔性变体飞艇展开：在整流罩自身分离的同时，横向伸缩驱动装置启动，驱动横向伸缩杆沿自身轴线向两端伸长，直至最大伸长行程并锁定。此时，由于气囊内部存有的微量气体压力远大于外部近似真空的环境压力，因而，气囊在内外压力差的作用下将迅速膨胀展开，每个纵向支撑伸缩机构将随之向四周自由伸长到最大伸长长度并锁定，形成柔性变体飞艇，进而使得两个整流罩半壳的下降速度大幅降低。

步骤5、改变整流罩下落速度：在整流罩下落过程中，通过横向伸缩驱动装置来控制横向伸缩杆的横向伸缩，从而改变柔性变体飞艇以及两个整流罩半壳的下落速度。

步骤6、改变柔性变体飞艇的飞行方向及水平速度：当需要改变柔性变体飞艇的运行轨迹时，同时利用翼舵和推进机扇，进而改变柔性变体飞艇的运行方向和水平方向的速度，从而达到指定落点位置。

步骤7、回收整流罩：在柔性变体飞艇即将落到地面时，通过调节横向伸缩杆的伸缩长度，进而改变柔性变体飞艇的体积，使得柔性变体飞艇的速度降至零；此时，重力与浮力平衡，利用翼舵和推进机扇，抵抗近地面风，从而使得柔性变体飞艇处于静止状态地下落在指定落点位置；地面人员只需到达柔性变体飞艇所在位置，完成整流罩的无损回收。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明能在不影响运载火箭正常飞行的情况下，主要依靠自身的变形调节气囊内外压差和推进装置的作用，从而实现整流罩回收的精确控制落点位置及下落速度的有效控制。

2、本发明能有效避免整流罩回收过程中的过载对整流罩箭体的损伤，并且将整流罩整体回收，从而提高整流罩回收可靠性，由于速度可控从而降低了地面回收的难度，降低重复使用成本。

附图说明

图1显示了本发明中柔性飞艇本体收纳在单个整流罩半壳中的结构示意图。

图2显示了本发明中采用柔性变体飞艇回收整流罩的结构示意图。

图3显示了单个纵向支撑伸缩机构的结构图，图3a和图3b分别给出了两种具体实例。

其中有：

11.整流罩半壳；12.锁扣；

20.柔性飞艇本体；21.气囊；22.翼舵；

30.飞艇变体装置；

31.横向伸缩杆；311.中间横杆；312.横杆节段；

32.横向伸缩驱动装置；321.液压装置；322.推进机扇；

33.纵向支撑伸缩机构；

331.水平伸缩杆；332.竖向伸缩杆；333.伸缩膨胀套管；334.气囊卡扣；335.伸长杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，运载火箭整流罩包括两个整流罩半壳11和将两个整流罩半壳可拆卸连接的锁合机构。锁合机构为现有技术，可以为锁扣12，但也可以为榫卯结构或其他可拆卸结构。

如图1和图2所示，一种用于运载火箭整流罩回收的柔性变体飞艇，包括柔性飞艇本体20和飞艇变体装置30。

柔性飞艇本体包括气囊21和设置在气囊尾端的翼舵22。

气囊的中部两侧固定安装在两个整流罩半壳的头部内侧壁面上，因而气囊能折叠收纳在运载火箭整流罩的头部内腔中，不影响整流罩在发射阶段的使用。气囊的具体安装固定方式可以为螺栓铆接，也可以为粘接等现有技术中已知固定方式。

飞艇变体装置设置在气囊内部，包括横向伸缩机构和若干个纵向支撑伸缩机构33。

横向伸缩机构位于气囊的中心轴线上，横向伸缩机构包括横向伸缩杆31和横向伸缩驱动装置32。

横向伸缩杆的前端和尾端均能在对应横向伸缩驱动装置的作用下，沿自身轴向伸缩。在本实施例中，横向伸缩杆包括中间横杆311和位于中间横杆两侧的若干节横杆节段312，中间横杆和横杆节段的直径从中间向两侧逐渐递减，类似竹笋结构，中间横杆和每节横杆节段的外周各固定套设一个纵向支撑伸缩机构。

作为替换，横向伸缩杆也可以为相邻节段之间为铰接的折叠机构等其他已知伸缩方式。

若干个纵向支撑伸缩机构沿横向伸缩杆的轴向均匀固定套设，本实施例中，纵向支撑伸缩机构优选为9个，具体根据需要进行设置。

横向伸缩驱动装置优选为液压装置321和液压作动筒，但也可以为电机等其他驱动方式。

横向伸缩杆的尾端从气囊尾端伸出，并安装有推进机扇322。

每个纵向支撑伸缩机构的外缘端部均与气囊内壁相连接，且均能以横向伸缩杆为中心，向四周自由伸缩。

如图3a所示，每个纵向支撑伸缩机构均为十字机构，十字机构的四条径向臂均能自由伸缩。在图2和图3a中，四条径向臂分别为两条沿y向的水平伸缩杆331（假设横向伸缩杆处于x向），以及两条沿z向的竖向伸缩杆332。每条径向臂均包括伸缩膨胀套管333和伸长杆335，伸缩膨胀套管333的内侧端与十字机构的中心一体设置，伸缩膨胀套管的外侧端内滑动连接伸长杆，伸长杆的外侧端安装气囊卡扣334，气囊卡扣卡扣连接在对应的气囊内侧壁上。

作为替换，每个纵向支撑伸缩机构，可以为等效变形后的十字机构，如图3b所示的米字结构，当然，径向臂的数量可以根据需要进行设置，数量越多，飞艇展开后的纵截面越接近圆形，然而，数量增多会导致飞艇重量增加以及收纳困难等问题。因而，需要根据需要进行设置。

进一步，每个气囊卡扣均优选为如图3所示的弧形块，一方面能对展开的飞艇截面进行导向，使其形成圆形，另一方面能防止对气囊的损伤。

一种采用柔性变体飞艇回收运载火箭整流罩的方法，包括如下步骤。

步骤1、柔性变体飞艇收拢：在运载火箭上升阶段，柔性变体飞艇收拢于整流罩的内腔中，柔性变体飞艇的气囊中部两侧分别与两个整流罩半壳的头部内侧壁面固定连接。运载火箭发射时，回收装置安装于整流罩内表面，且质量分布不影响发射过程。

步骤2、整流罩与卫星脱离：当运载火箭抛整流罩时，整流罩整体过顶分离，直到完全与卫星脱离。

步骤3、整流罩自身分离：打开两个整流罩半壳之间的锁合机构，整流罩将分离形成两个整流罩半壳。

步骤4、柔性变体飞艇展开：在整流罩自身分离的同时，横向伸缩驱动装置启动，驱动横向伸缩杆沿自身轴线向两端伸长，直至最大伸长行程并锁定，防止其回弹，起到支撑起飞艇气囊的作用。此时，由于气囊内部存有的微量气体压力远大于外部近似真空的环境压力，因而，气囊在内外压力差的作用下将迅速膨胀展开，每个纵向支撑伸缩机构将随之向四周自由伸长到最大伸长长度并锁定，形成柔性变体飞艇，飞艇展开后获得很大的浮力，从而克服重力，进而使得两个整流罩半壳的下降速度大幅降低。

在本申请中，横向伸缩杆沿自身轴线从中心向两端伸长，从而使两个整流罩半壳位于柔性变形飞艇的中心外侧面，重心平衡，柔性变形飞艇姿态控制准确。

步骤5、改变整流罩下落速度：在整流罩下落过程中，通过横向伸缩驱动装置来控制横向伸缩杆的横向伸缩，即可改变飞艇的内部空间大小，从而改变浮力，从而改变柔性变体飞艇以及两个整流罩半壳的下落速度。

步骤6、改变柔性变体飞艇的飞行方向及水平速度：当需要改变柔性变体飞艇的运行轨迹时，同时利用翼舵和推进机扇，进而改变柔性变体飞艇的运行方向和水平方向的速度，从而达到指定落点位置。

步骤7、回收整流罩：在柔性变体飞艇即将落到地面时，通过调节横向伸缩杆的伸缩长度，进而改变柔性变体飞艇的体积，使得柔性变体飞艇的速度降至零；此时，重力与浮力平衡，利用翼舵和推进机扇，抵抗近地面风，从而使得柔性变体飞艇处于静止状态地下落在指定落点位置；地面人员只需到达柔性变体飞艇所在位置，完成整流罩的无损回收。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用柔性变体飞艇回收运载火箭整流罩的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、柔性变体飞艇收拢：在运载火箭上升阶段，柔性变体飞艇收拢于整流罩的内腔中，柔性变体飞艇的气囊中部两侧分别与两个整流罩半壳的头部内侧壁面固定连接；

步骤2、整流罩与卫星脱离：当运载火箭抛整流罩时，整流罩整体过顶分离，直到完全与卫星脱离；

步骤3、整流罩自身分离：打开两个整流罩半壳之间的锁合机构，整流罩将分离形成两个整流罩半壳；

步骤4、柔性变体飞艇展开：在气囊内部设置有飞艇变体装置，飞艇变体装置包括横向伸缩机构和若干个纵向支撑伸缩机构；横向伸缩机构位于气囊的中心轴线上，横向伸缩机构包括横向伸缩杆和横向伸缩驱动装置；

在整流罩自身分离的同时，横向伸缩驱动装置启动，驱动横向伸缩杆沿自身轴线向两端伸长，直至最大伸长行程并锁定；此时，由于气囊内部存有的微量气体压力远大于外部近似真空的环境压力，因而，气囊在内外压力差的作用下将迅速膨胀展开，每个纵向支撑伸缩机构将随之向四周自由伸长到最大伸长长度并锁定，形成柔性变体飞艇，进而使得两个整流罩半壳的下降速度大幅降低；

步骤5、改变整流罩下落速度：在整流罩下落过程中，通过横向伸缩驱动装置来控制横向伸缩杆的横向伸缩，从而改变柔性变体飞艇以及两个整流罩半壳的下落速度；

步骤6、改变柔性变体飞艇的飞行方向及水平速度：当需要改变柔性变体飞艇的运行轨迹时，同时利用翼舵和推进机扇，进而改变柔性变体飞艇的运行方向和水平方向的速度，从而达到指定落点位置；

步骤7、回收整流罩：在柔性变体飞艇即将落到地面时，通过调节横向伸缩杆的伸缩长度，进而改变柔性变体飞艇的体积，使得柔性变体飞艇的速度降至零；此时，重力与浮力平衡，利用翼舵和推进机扇，抵抗近地面风，从而使得柔性变体飞艇处于静止状态地下落在指定落点位置；地面人员只需到达柔性变体飞艇所在位置，完成整流罩的无损回收。

2.一种基于权利要求1所述的采用柔性变体飞艇回收运载火箭整流罩的方法的柔性变体飞艇，其特征在于：包括柔性飞艇本体和飞艇变体装置；

运载火箭整流罩包括两个整流罩半壳和将两个整流罩半壳可拆卸连接的锁合机构；

柔性飞艇本体包括气囊和设置在气囊尾端的翼舵；气囊折叠收纳在运载火箭整流罩的内腔中，且气囊的中部两侧固定安装在两个整流罩半壳的头部内侧壁面上；

飞艇变体装置设置在气囊内部，包括横向伸缩机构和若干个纵向支撑伸缩机构；

横向伸缩机构位于气囊的中心轴线上，横向伸缩机构包括横向伸缩杆和横向伸缩驱动装置；横向伸缩杆的前端和尾端均能在对应横向伸缩驱动装置的作用下，沿自身轴向伸缩；

若干个纵向支撑伸缩机构沿横向伸缩杆的轴向均匀固定套设；

每个纵向支撑伸缩机构的外缘端部均与气囊内壁相连接，且均能以横向伸缩杆为中心，向四周自由伸缩。

3.根据权利要求2所述的柔性变体飞艇，其特征在于：横向伸缩杆的尾端从气囊尾端伸出，并安装有推进机扇。

4.根据权利要求2所述的柔性变体飞艇，其特征在于：每个纵向支撑伸缩机构均为十字机构，十字机构的四条径向臂均能自由伸缩。

5.根据权利要求2所述的柔性变体飞艇，其特征在于：横向伸缩杆包括中间横杆和位于中间横杆两侧的若干节横杆节段，中间横杆和横杆节段的直径从中间向两侧逐渐递减，中间横杆和每节横杆节段的外周各固定套设一个纵向支撑伸缩机构。

6.根据权利要求2所述的柔性变体飞艇，其特征在于：横向伸缩驱动装置为液压装置和液压作动筒。

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