CN113237392B - 一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法，属于运载火箭软着陆缓冲技术领域，本发明装置中的着陆腿系统在发射阶段处于收拢状态，降落着陆时展开；锁紧释放系统主要通过整流罩内部的第一电动推杆伸缩配合位于着陆腿上的直线轴承实现着陆腿的锁紧释放；收拢展开系统为可靠性较高的可折展机构，在火箭发射阶段收拢于着陆腿内部，在火箭着陆阶段被展开并锁定；缓冲系统位于收拢展开系统下部且铰接着陆腿，采用铝蜂窝压馈吸能来吸收着陆时的冲击能量；本发明在不采用复杂电控系统的前提下即可实现着陆装置的收拢、展开、锁定及缓冲等功能，可靠性高，稳定性好，在更换铝蜂窝后可重复使用，有效降低了发射成本。

Description

一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法

技术领域

本发明属于运载火箭软着陆缓冲技术领域，具体涉及一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法。

背景技术

火箭作为将航天器发射到太空的运载工具，受限于一次性使用的方式，其发射成本长期以来居高不下。在航天商业化趋势越来浓重的时代背景下，降低发射成本是促进航天科技迭代发展、创造更多空间科学实验机会、提高国家综合竞争力的重要手段，实现火箭芯一级、助推器的可重复使用是降低发射成本的有效措施。

目前，火箭回收方式主要包括反推垂直回收和伞降溅落回收，其中，垂直回收因其具备更好的回收组/部件可复用性，得到了更多的关注。当火箭进行陆上或海上垂直回收时，着陆腿上的缓冲装置将对箭体起到缓冲吸能和稳固支撑的作用。2015年，太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰9号运载火箭芯一级成功实现了垂直回收，并于2017年实现了回收火箭的重复使用，截止目前更是有一枚芯一级实现了九次复用回收。在这其中，垂直回收着陆缓冲装置是最关键装备。此外，美国蓝色起源公司、中国航天一院和航天八院等机构也在积极开展火箭垂直回收技术的研发。

在我国未来新型运载火箭的研制计划中，实现回收复用是其中一项重要的设计指标。鉴于此，在不对火箭箭体提出过多设计约束的前提下，开发一种具备较强通用性和适配性的垂直回收装置，满足火箭垂直着陆的工况要求，实现火箭芯一级或助推器垂直回收所需的缓冲吸能和稳固支撑，是本领域技术目前亟需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法，本发明的装置是一种可起到对运载火箭一级着陆时缓冲支撑的着陆缓冲装置，要求该装置重量轻，结构简单，在发射阶段可收拢到箭体侧面以减少气动阻力，着陆时可展开锁定，采用可靠性高、质量轻的铝蜂窝作为缓冲吸能材料，在更换缓冲材料后可收拢复用。

本发明是这样实现的：

一种可复用火箭垂直回收装置，该装置包括箭体，箭体上设置四套着陆缓冲装置，每套装置均包括着陆腿系统、锁紧释放系统、收拢展开系统及缓冲系统；

所述的着陆腿系统包括第一铰链、着陆腿、轴和整流罩，所述第一铰链固定于箭体底端，所述的着陆腿铰接于第一铰链上，在装置收拢展开时着陆腿绕第一铰链旋转；所述的整流罩固定于箭体侧面，当着陆腿处于收拢状态时与整流罩处于啮合状态；所述的着陆腿上端还设置有轴；

所述的收拢展开系统包括第二电动推杆固定架、第二电动推杆、第二铰链、上支架、第一碳纤维管、拦阻孔、弹簧销、滑套、下支架、电机固定架、电机、钢丝绳、第三铰链、套筒、第二碳纤维管、第四铰链和支撑杆；所述的第二电动推杆固定架设置在箭体下侧靠近第一铰链，所述的第二电动推杆设置在第二电动推杆固定架上，所述的第二铰链和第四铰链设置于箭体侧面整流罩正下方，所述的上支架铰接于第二铰链，所述的上支架和下支架间设置有两根平行的第一碳纤维管，所述的两根平行第一碳纤维管上设置有滑套，滑套在第一碳纤维管上自由滑动，所述的滑套两侧各设置有一弹簧销，所述的滑套和第一碳纤维管上设置有拦阻孔，所述弹簧销中的销键与第一碳纤维管相抵，当滑套滑到限定位置后，弹簧销中的销键被弹出插到第一碳纤维管的拦阻孔内实现滑套与第一碳纤维管的锁定，所述下支架上设置有电机固定架，所述电机固定架上设置有电机，所述钢丝绳一端设置于滑套上，另一端设置于电机的转轴上，所述支撑杆的一端铰接于第四铰链，另一端铰接于滑套上，所述第三铰链一端设置于下支架一侧，另一端设置于套筒一侧，所述第二碳纤维管设置于套筒的下部。

进一步，所述的收拢展开系统在展开锁定后，所述的支撑杆与第一碳纤维管垂直，下支架的下端面与套筒上端面接触相抵，第二碳纤维管与两平行第一碳纤维管相对平行。

进一步，所述的锁紧释放系统包括第一电动推杆固定架、第一电动推杆和直线轴承；所述电动推杆固定架固定于着陆腿系统的整流罩内部，且靠近箭体的一侧；所述的第一电动推杆设置于第一电动推杆固定架上，第一电动推杆中的伸缩杆朝下，所述的直线轴承设置于着陆腿系统上的着陆腿上靠近接触地面的一侧；当着陆腿处于收拢状态时，第一电动推杆的伸缩杆将插到直线轴承内。

进一步，所述的缓冲系统包括铝蜂窝套筒、垫片、铝蜂窝、推杆、钢球保持架和底套筒，所述的垫片两面分别连接第二碳纤维管、铝蜂窝；所述的铝蜂窝的另一侧与推杆接触，所述的铝蜂窝套筒设置于第二碳纤维管上，所述钢球保持架设置于铝蜂窝套筒的下部，所述底套筒一端设置在推杆上，另一端与着陆腿顶端的轴铰接。

本发明还公开了一种可复用火箭垂直回收装置的工作方法，其特征在于，所述的方法为：

地面发射段：第一电动推杆的伸缩杆伸出到着陆腿上的直线轴承内，着陆腿处于收拢状态，着陆腿顶端与上部的整流罩啮合；

着陆展开阶段：第一电动推杆受到控制信号后伸缩杆从直线轴承中缩回，着陆腿被解锁，第二电动推杆收到控制信号后伸缩杆伸出到与着陆腿内侧端面相抵，缓慢推动着陆腿旋转一定的角度；之后，下支架上的电机收到控制信号后通过钢丝绳开始拉动滑套在两平行的第一碳纤维管上向下滑动，着陆腿在重力和电机间接地辅助拉力作用下展开，当滑套滑到限定位置后，弹簧销中的销键将会插到第一碳纤维管的拦阻孔内，至此，着陆腿被展开锁定待着陆；箭体底部的着陆发动机、级间段的栅格舵以及姿控发动机等可对箭体姿态做出实时调整，使四套着陆腿系统尽可能同时触地缓冲；

着陆缓冲段：着陆腿的顶端将首先与地面接触碰撞，推杆压缩铝蜂窝套筒内的铝蜂窝，铝蜂窝被压馈吸收着陆时的冲击能量，降低火箭着陆时的最大过载，着陆缓冲完成后四组着陆缓冲装置对整个箭体起到支撑作用；

回收复用段：一台起吊装置将整个箭体吊起到一定高度，另一台起吊装置同时辅助吊起一条着陆腿，将第二碳纤维管和铝蜂窝套筒的固定螺栓拧开，使第二碳纤维管和铝蜂窝套筒分离，更换铝蜂窝套筒内的铝蜂窝，之后重新将第二碳纤维管和铝蜂窝套筒固定；将滑套上弹簧销的销键从拦阻孔中抽出，电机反转释放钢丝绳，同时起吊装置将着陆腿提起，收拢展开系统被折叠收拢，第二电动推杆的伸缩杆缩回，着陆腿被提升到初始位置后，第一电动推杆的伸缩杆伸出重新插到着陆腿顶端的直线轴承内，至此，着陆腿被收拢锁定。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明中的第一碳纤维管、第二碳纤维管及支撑杆均采用空心结构，在满足了结构强度要求的前提下可最大程度减轻重量，最大程度降低对运载火箭有效载荷发射能力的占用；

收拢展开系统采用了可靠性较高的折叠机构，在发射阶段可收拢到着陆腿内部，缩小了火箭本体部分径向尺寸的最大包络，有助于降低发射过程中的气动阻力；

缓冲系统采用铝蜂窝压馈吸能材料，吸能效率高、质量轻、可靠性高、环境适应性好；

无需复杂的电控系统，可有效避免电控系统故障导致的着陆腿展开失败。

附图说明

图1为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的展开锁定后侧视图；

图2为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的展开锁定后俯视图；

图3为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的收拢锁定状态下的整箭示意图；

图4为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的着陆腿下端示意图；

图5为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的着陆腿上端示意图；

图6为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的收拢展开系统中部示意图；

图7为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的缓冲系统外部示意图；

图8为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的缓冲系统内部示意图；

图9为本发明一种可复用火箭垂直回收装置的收拢状态下着陆腿内部示意图；

其中：1000-箭体，100-着陆腿系统，101-第一铰链，102-着陆腿，103-轴，104-整流罩，200-锁紧释放系统，201-第一电动推杆固定架，202-第一电动推杆，203-直线轴承，300-收拢展开系统，301-第二电动推杆固定架，302-第二电动推杆，303-第二铰链，304-上支架，305-第一碳纤维管，306-拦阻孔，307-弹簧销，308-滑套，309-下支架，310-电机固定架，311-电机，312-钢丝绳，313-第三铰链，314-套筒，315-第二碳纤维管，316-第四铰链，317-支撑杆，400-缓冲系统，401-铝蜂窝外套，402-垫片，403-铝蜂窝，404-推杆，405-钢球保持架，406-底套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适用于可复用运载火箭的着陆装置及着陆回收方法，此装置在火箭发射阶段处于收拢状态，在将要着陆时展开并锁定，完成触地缓冲，稳定地支撑箭体。

为使本发明的上述描述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1~图9所示，本发明一种火箭着陆装置包括均布于箭体外侧的四套着陆缓冲装置，每套装置均包括着陆腿系统100、锁紧释放系统200、收拢展开系统300及缓冲系统400组成，该装置可实现收拢展开，锁紧释放系统200设置于整流罩104内部 ，收拢展开系统300的一端设置于箭体1000侧面，另一端设置于缓冲系统400，缓冲系统400另一端设置于着陆腿102上。

着陆腿系统100包括第一铰链101、着陆腿102、轴103和整流罩104，所述第一铰链101固定于箭体1000底端，所述着陆腿102铰接于第一铰链101上，在收拢展开时可绕其第一铰链101旋转，所述的整流罩104固定于箭体1000侧面，当着陆腿102处于收拢状态时可与整流罩104处于啮合状态，以降低火箭发射阶段的气动阻力。此外，在着陆腿102上端的内侧端面还设置有一轴103。

锁紧释放系统200包括第一电动推杆固定架201、第一电动推杆202和直线轴承203，所述电动推杆固定架201固定于整流罩104内部靠近箭体1000的一侧，所述第一电动推杆202设置于第一电动推杆固定架201上，第一电动推杆202中的伸缩杆朝下，所述直线轴承203设置于着陆腿102上靠近接触地面的一侧，当着陆腿102处于收拢状态时，第一电动推杆202的伸缩杆将插到直线轴承203内。

收拢展开系统300包括第二电动推杆固定架301、第二电动推杆302、第二铰链303、上支架304、第一碳纤维管305、弹簧销307、滑套308、下支架309、电机固定架310、电机311、钢丝绳312、第三铰链313、套筒314、第二碳纤维管315、第四铰链316和支撑杆317，所述第二电动推杆固定架301设置在箭体1000下侧靠近第一铰链101，所述第二电动推杆固定架301上设置有第二电动推杆302，所述第二铰链303和第四铰链316设置于箭体1000侧面整流罩104正下方，所述上支架304铰接于第二铰链303，所述上支架304和下支架309间设置有两根平行的第一碳纤维管305，所述的两根平行第一碳纤维管305上设置有滑套308，滑套308可在第一碳纤维管305上自由滑动，所述滑套308两侧各设置有一弹簧销307，在所述滑套308和第一碳纤维管305上设置有拦阻孔306，所述弹簧销307中的销键与第一碳纤维管305相抵，当滑套308滑到限定位置后，弹簧销307中的销键被弹出插到第一碳纤维管305的拦阻孔306内实现滑套308与第一碳纤维管305的锁定，所述下支架309上设置有电机固定架310，所述电机固定架310上设置有电机311，所述钢丝绳312一端设置于滑套308上，另一端设置于电机311的转轴上，所述支撑杆317的一端铰接于第四铰链316，另一端铰接于滑套308上，所述第三铰链313一端设置于下支架309一侧，另一端设置于套筒314一侧，所述第二碳纤维管315设置于套筒314的下部。

本实施例中，收拢展开系统300在展开锁定后，支撑杆317与两平行第一碳纤维管305垂直，下支架309的下端面与套筒314上端面接触相抵，第二碳纤维管315与两平行第一碳纤维管305相对平行。

缓冲系统400包括铝蜂窝套筒401、垫片402、铝蜂窝403、推杆404、钢球保持架405和底套筒406，所述垫片402一面设置于第二碳纤维管315的下端面，另一面设置接触有铝蜂窝403，铝蜂窝403的另一侧接触有推杆404，所述铝蜂窝套筒401设置于第二碳纤维管315上，所述钢球保持架405设置于铝蜂窝套筒401的下部，所述底套筒406一端设置在推杆404上，另一端与着陆腿102顶端的轴103铰接。

本实施例还提供了一种实施例一的可复用火箭着陆装置的着陆回收方法，包括以下内容：

地面发射段：第一电动推杆202的伸缩杆伸出到着陆腿102上的直线轴承203内，着陆腿102处于收拢状态，着陆腿102顶端与上部的整流罩104啮合；

着陆展开阶段：第一电动推杆202受到控制信号后伸缩杆从直线轴承203中缩回，着陆腿102被解锁，第二电动推杆302收到控制信号后伸缩杆伸出到与着陆腿102内侧端面相抵，缓慢推动着陆腿102旋转一定的角度。之后，下支架309上的电机311收到控制信号后通过钢丝绳312开始拉动滑套308在两平行的第一碳纤维管305上向下滑动，着陆腿102在重力和电机311间接地辅助拉力作用下展开，当滑套308滑到限定位置后，弹簧销307中的销键将会插到第一碳纤维管305的拦阻孔306内，至此，着陆腿102被展开锁定待着陆。箭体1000底部的着陆发动机、级间段的栅格舵以及姿控发动机等可对箭体1000姿态做出实时调整，使四套着陆腿系统100尽可能同时触地缓冲。

着陆缓冲段：着陆腿102的顶端将首先与地面接触碰撞，推杆404压缩铝蜂窝套筒401内的铝蜂窝403，铝蜂窝403被压馈吸收着陆时的冲击能量，降低火箭着陆时的最大过载，着陆缓冲完成后四组着陆缓冲装置对整个箭体1000起到支撑作用。

回收复用段：一台起吊装置将整个箭体1000吊起到一定高度，另一台起吊装置同时辅助吊起一条着陆腿102，将第二碳纤维管315和铝蜂窝套筒401的固定螺栓拧开，使第二碳纤维管315和铝蜂窝套筒401分离，更换铝蜂窝套筒401内的铝蜂窝403，之后重新将第二碳纤维管315和铝蜂窝套筒401固定；将滑套308上弹簧销307的销键从拦阻孔306中抽出，电机311反转释放钢丝绳312，同时起吊装置将着陆腿102提起，收拢展开系统300被折叠收拢，第二电动推杆302的伸缩杆缩回，着陆腿102被提升到初始位置后，第一电动推杆202的伸缩杆伸出重新插到着陆腿102顶端的直线轴承203内，至此，着陆腿102被收拢锁定。

本说明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种可复用火箭垂直回收装置，其特征在于，所述的装置包括箭体（1000），箭体（1000）上设置四套着陆缓冲装置，每套着陆缓冲装置均包括着陆腿系统（100）、锁紧释放系统（200）、收拢展开系统（300）及缓冲系统（400）；

所述的着陆腿系统（100）包括第一铰链（101）、着陆腿（102）、轴（103）和整流罩（104），所述第一铰链（101）固定于箭体（1000）底端，所述的着陆腿（102）铰接于第一铰链（101）上，在装置收拢展开时着陆腿（102）绕第一铰链（101）旋转；所述的整流罩（104）固定于箭体（1000）侧面，当着陆腿（102）处于收拢状态时与整流罩（104）处于啮合状态；所述的着陆腿（102）上端还设置有轴（103）；

所述的收拢展开系统（300）包括第二电动推杆固定架（301）、第二电动推杆（302）、第二铰链（303）、上支架（304）、第一碳纤维管（305）、拦阻孔（306）、弹簧销（307）、滑套（308）、下支架（309）、电机固定架（310）、电机（311）、钢丝绳（312）、第三铰链（313）、套筒（314）、第二碳纤维管（315）、第四铰链（316）和支撑杆（317）；所述的第二电动推杆固定架（301）设置在箭体（1000）下侧靠近第一铰链（101），所述的第二电动推杆（302）设置在第二电动推杆固定架（301）上，所述的第二铰链（303）和第四铰链（316）设置于箭体（1000）侧面整流罩（104）正下方，所述的上支架（304）铰接于第二铰链（303），所述的上支架（304）和下支架（309）间设置有两根平行的第一碳纤维管（305），所述两根平行的第一碳纤维管（305）上设置有滑套（308），滑套（308）在第一碳纤维管（305）上自由滑动，所述的滑套（308）两侧各设置有一弹簧销（307），所述的滑套（308）和第一碳纤维管（305）上设置有拦阻孔（306），所述弹簧销（307）中的销键与第一碳纤维管（305）相抵，当滑套（308）滑到限定位置后，弹簧销（307）中的销键被弹出插到第一碳纤维管（305）的拦阻孔（306）内实现滑套（308）与第一碳纤维管（305）的锁定，所述下支架（309）上设置有电机固定架（310），所述电机固定架（310）上设置有电机（311），所述钢丝绳（312）一端设置于滑套（308）上，另一端设置于电机（311）的转轴上，所述支撑杆（317）的一端铰接于第四铰链（316），另一端铰接于滑套（308）上，所述第三铰链（313）一端设置于下支架（309）一侧，另一端设置于套筒（314）一侧，所述第二碳纤维管（315）设置于套筒（314）的下部。

2.根据权利要求1所述的一种可复用火箭垂直回收装置，其特征在于，所述的收拢展开系统（300）在展开锁定后，所述的支撑杆（317）与第一碳纤维管（305）垂直，下支架（309）的下端面与套筒（314）上端面接触相抵，第二碳纤维管（315）与两平行第一碳纤维管（305）相对平行。

3.根据权利要求1所述的一种可复用火箭垂直回收装置，其特征在于，所述的锁紧释放系统（200）包括第一电动推杆固定架（201）、第一电动推杆（202）和直线轴承（203）；所述第一电动推杆固定架（201）固定于着陆腿系统（100）的整流罩（104）内部，且靠近箭体（1000）的一侧；所述的第一电动推杆（202）设置于第一电动推杆固定架（201）上，第一电动推杆（202）中的伸缩杆朝下，所述的直线轴承（203）设置于着陆腿系统（100）上的着陆腿（102）上靠近接触地面的一侧；当着陆腿（102）处于收拢状态时，第一电动推杆（202）的伸缩杆将插到直线轴承（203）内。

4.权利要求1所述的一种可复用火箭垂直回收装置，其特征在于，所述的缓冲系统（400）包括铝蜂窝套筒（401）、垫片（402）、铝蜂窝（403）、推杆（404）、钢球保持架（405）和底套筒（406），所述的垫片（402）两面分别连接第二碳纤维管（315）、铝蜂窝（403）；所述的铝蜂窝（403）的另一侧与推杆（404）接触，所述的铝蜂窝套筒（401）设置于第二碳纤维管（315）上，所述钢球保持架（405）设置于铝蜂窝套筒（401）的下部，所述底套筒（406）一端设置在推杆（404）上，另一端与着陆腿（102）顶端的轴（103）铰接。

5.根据权利要求1~4任一所述的一种可复用火箭垂直回收装置的工作方法，其特征在于，所述的方法为：

地面发射段：第一电动推杆（202）的伸缩杆伸出到着陆腿（102）上的直线轴承（203）内，着陆腿（102）处于收拢状态，着陆腿（102）顶端与上部的整流罩（104）啮合；

着陆展开阶段：第一电动推杆（202）受到控制信号后伸缩杆从直线轴承（203）中缩回，着陆腿（102）被解锁，第二电动推杆（302）收到控制信号后伸缩杆伸出到与着陆腿（102）内侧端面相抵，缓慢推动着陆腿（102）旋转一定的角度；之后，下支架（309）上的电机（311）收到控制信号后通过钢丝绳（312）开始拉动滑套（308）在两平行的第一碳纤维管（305）上向下滑动，着陆腿（102）在重力和电机（311）间接地辅助拉力作用下展开，当滑套（308）滑到限定位置后，弹簧销（307）中的销键将会插到第一碳纤维管（305）的拦阻孔（306）内，至此，着陆腿（102）被展开锁定待着陆，箭体（1000）底部的着陆发动机、级间段的栅格舵以及姿控发动机可对箭体姿态做出实时调整，使四套着陆腿系统（100）尽可能同时触地缓冲；

着陆缓冲段：着陆腿（102）的顶端将首先与地面接触碰撞，推杆（404）压缩铝蜂窝套筒（401）内的铝蜂窝（403），铝蜂窝（403）被压馈吸收着陆时的冲击能量，降低火箭着陆时的最大过载，着陆缓冲完成后四组着陆缓冲装置对整个箭体（1000）起到支撑作用；

回收复用段：一台起吊装置将整个箭体（1000）吊起到一定高度，另一台起吊装置同时辅助吊起一条着陆腿（102），将第二碳纤维管（315）和铝蜂窝套筒（401）的固定螺栓拧开，使第二碳纤维管（315）和铝蜂窝套筒（401）分离，更换铝蜂窝套筒（401）内的铝蜂窝（403），之后重新将第二碳纤维管（315）和铝蜂窝套筒（401）固定；将滑套（308）上弹簧销（307）的销键从拦阻孔（306）中抽出，电机（311）反转释放钢丝绳（312），同时起吊装置将着陆腿（102）提起，收拢展开系统（300）被折叠收拢，第二电动推杆（302）的伸缩杆缩回，着陆腿（102）被提升到初始位置后，第一电动推杆（202）的伸缩杆伸出重新插到着陆腿（102）顶端的直线轴承（203）内，至此，着陆腿（102）被收拢锁定。

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