CN114735247B - 一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其属于航天火箭技术领域，其包括一级箭体，一级箭体上端设置有瓜瓣套罩，瓜瓣套罩内容纳有载有载荷的二级火箭；一级箭体的下端居中位置设置有一个回收动力系统，并围绕回收动力系统设置有二个或多个一级动力发动机；瓜瓣套罩自上而下依次包括瓜瓣部、壳段、滑轨筒罩和支座；瓜瓣套罩还包括有气动分离姿控装置；气动分离姿控装置包括连接有气缸的气瓶。本发明的火箭整体回收更方便，并采用气动分离姿控装置提供分离力以及调整姿态；本发明实现了亚轨道载荷“非火工”分离，又实现了辅助姿控、确保了回收动力燃料沉底和发动机正常工作。

Description

一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭

技术领域

本发明属于航天火箭技术领域，具体涉及一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭。

背景技术

随着国内外航天领域的不断发展，如何降低航天发射费用逐渐成为整个航天产业面临的主要挑战之一；继而商业航天的发展对低成本发射和低成本火箭提出了更高的要求，尤其是对于一些低空高速飞行试验装置发射，实现运载器及其有效载荷的回收和重复使用是降低成本的重要措施。

现有二级运载火箭及其飞行过程分离状态如图1A至图1D所示，二级运载火箭主要由一级箭体（或称一级火箭）1'、二级火箭2'和整流罩4'组成；二级运载火箭主要功能是发射载荷例如卫星3'。如图1A所示的火箭结构，整流罩4'也称为卫星整流罩或火箭整流罩，其作用主要为包覆卫星3'，与二级火箭2'相连接；如图1B所示，一级火箭与二级火箭分离，火箭飞行到一定高度后一级箭体1'分离，一级箭体1'被抛掉后飞落至地面且损毁弃用，二级火箭继续向上飞行且飞离大气层，整流罩4'分离、抛罩；如图1C所示，其示出整流罩抛罩动作，整流罩4'落地损毁；如图1D所示的卫星分离示意图，二级火箭继续飞行至预定轨道，卫星3'分离。可见，其中大部分部件都直接落地损毁，一次性使用，不回收复用。

现有的可重复使用运载器例如太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰-9R”火箭，采用了垂直返回的方式，其通过一级箭体底部中心的发动机动力调节实现了一级箭体的回收；其整流罩抛罩后分两瓣分别回收，主要采用降落伞方式伞降、通过海上平台及其网篮回收。可以想到的是，伞降方式降落点不可控，回收仍存在难度，所需的海上平台等也需要较高成本。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其实现了瓜瓣套罩和一级箭体整体回收，并采用气动分离姿控装置提供分离力以及调整火箭姿态，提升了成本效率。

基于本发明的技术方案，本发明提供了一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其包括一级箭体，一级箭体上端设置有瓜瓣套罩，瓜瓣套罩内容纳有载有载荷的二级火箭；一级箭体的下端居中位置设置有一个回收动力系统，并围绕回收动力系统设置有二个或多个一级动力发动机；瓜瓣套罩自上而下依次包括瓜瓣部、壳段、滑轨筒罩和支座；壳段呈筒状，壳段的上部与瓜瓣部活动连接；滑轨筒罩包括套筒，套筒上部与壳段下部相连接，套筒下部连接有支座，套筒的内侧面设置有滑轨；二级火箭的至少一部分与滑轨相匹配的滑动连接；瓜瓣套罩还包括有气动分离姿控装置；气动分离姿控装置包括有气瓶，气瓶连接有气缸，气缸具有缸筒和活塞，缸筒与一级箭体或瓜瓣套罩固定连接，活塞用于将二级火箭向上推动；气瓶还连接有输气管路，输气管路至少有两条，数条输气管路沿瓜瓣套罩内壁周向均匀分布设置，每条输气管路的末端均分支有两条相互垂直的排气管，排气管上设置有控制其通断的阀门；排气管的输出端设置于瓜瓣套罩上部的外表面上。

进一步地，滑轨沿周向设置有一个或多个，滑轨的长度方向与套筒的长度方向一致；二级火箭的外侧面上对应设置有一个或多个滑块，滑轨与滑块相匹配地滑动连接；支座上设有用于将二级火箭锁紧或释放的电控锁紧装置。

优选地，瓜瓣部为呈半球或半椭球的壳状的端帽套罩，端帽套罩倒扣于壳段上并在一侧可开合地活动连接，端帽套罩连接有用于控制其开闭的作动机构。瓜瓣部为二个或多个，相邻的瓜瓣部的对接面均设置有耐高温的密封结构；瓜瓣部闭合时，瓜瓣部与密封结构相匹配且瓜瓣部密封地接触在一起；瓜瓣部连接有用于控制其开闭的作动机构。

进一步地，输气管路共有四条；阀门为二位三通阀，每条输气管路均通过一个二位三通阀与其上的两条排气管相连接；壳段的外侧面上设置有多个排气孔，排气管的输出端与排气孔对应地相连接，且排气孔均位于同一水平面上。排气管的朝向均为斜下方。

更优选地，回收动力系统包括具有喷管的回收动力发动机，回收动力发动机设置于一级箭体底部居中位置，喷管的朝向固定设置或调节为朝下；数个一级动力发动机周向均匀围绕回收动力发动机设置；一级动力发动机的推力大于回收动力发动机的推力。

优选地，一级动力发动机的一部分突出到一级箭体外壁之外，在突出位置处，在一级箭体的外壁上设置有整流罩或翼罩。回收动力发动机通过摆转机构与一级箭体相连接，摆转机构用于控制回收动力发动机以及喷管转动。

优选地，在瓜瓣套罩的外侧面周向均匀分布设置有至少两个栅格翼。

与现有技术相比，本发明瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭的有益技术效果如下：

1、本发明瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭采用“一级亚轨道运载火箭”可回收火箭形式：瓜瓣套罩实现了亚轨道火箭的100%回收，又有效地降低了瓜瓣套罩内二三级火箭产品的设计要求、降低其设计和制造成本。气动分离姿控装置，即实现了亚轨道载荷“非火工”分离，又实现了辅助姿控、确保了回收动力燃料沉底和发动机正常工作。用于火箭回收的动力安装在一级箭体的底部主发动机中间，火箭的一级动力发动机配置数量最少为三台从而降低了成本，同时通过回收动力系统与气动的联合姿控和推力调节实现火箭的精准回收。

2、本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭中的“一级亚轨道运载火箭”可全回收，检测评定后可重复使用，不只节约成本，价值更高。还可大大缩短低轨道、高轨道火箭研制和发射周期。本发明的运载火箭可发射亚轨道载荷，也可以推送二级或三级火箭，用作二三级火箭的助推器。利用本发明的“一级亚轨道运载火箭”作为一级，研制二级或三级火箭，研制周期将缩短50%以上。

3、本发明瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭通过中的气动分离姿控装置的姿控喷管安装在瓜瓣套罩上端或上部、上缘，安装位置距离质心更远，力臂增大，可提高控制效率。

4、本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，实现了瓜瓣套罩和一级箭体整体回收，避免整流罩分瓣海上回收或降落伞回收所需跟踪、监测、回收船回收所带来的大量人力和物力消耗。

5、本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，能够有效降低发射成本，预计一级亚轨道载荷发射成本降低70%；应用在二级低轨道载荷发射，成本降低30~70%；应用在三级高轨道载荷发射，成本降低20~50%；载荷质量越大，成本降低的越多。

6、本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭的发射，能够提供地面发射、飞行及亚轨飞行的试验环境，可为空天产品的研制提供真实状态的环境试验及其试验服务。

附图说明

图1A至图1D为现有的二级运载火箭结构及其飞行及分离过程示意图。

图2A为本发明一实施例的运载火箭的结构示意图。

图2B为图2A所示运载火箭的剖面结构示意图。

图2C为图2A所示运载火箭的瓜瓣套罩打开、与二级火箭分离状态的示意图。

图2D为图2A所示运载火箭回收着陆状态的示意图。

图3A为图2A所示运载火箭的俯视结构示意图。

图3B为图2B中A部分的局部放大图。

图3C为图2C中壳段部分的俯视结构示意图。

图3D为图3C中B-B剖面示意图。

图4A为本发明又一实施例的瓜瓣套罩部分的结构示意图。

图4B为图4A所示实施例中瓜瓣套罩打开状态的结构示意图。

图5A为本发明另一实施例的瓜瓣套罩部分的结构示意图。

图5B为图5A所示实施例中瓜瓣套罩的俯视示意图。

图5C为图5A所示实施例中瓜瓣套罩打开状态的结构示意图。

图6A至图6C为本发明一些实施例中回收动力发动机与一级动力发动机的布局方式示意图。

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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图2A，本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭将诸如卫星等载荷送至太空预定轨道，其实现了瓜瓣套罩和一级箭体整体回收，避免了整流罩分瓣抛罩后造成的回收不便，并采用气动分离姿控装置提供分离力以及调整火箭姿态，成本更低。

本发明瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭主要由一级箭体1、二级火箭2和瓜瓣套罩6组成；一级箭体1上端设置有瓜瓣套罩6，瓜瓣套罩6内容纳有二级火箭2，二级火箭2载有载荷。一级箭体1和瓜瓣套罩6，共同形成“一级亚轨道运载火箭”，也可以称为瓜瓣套罩气动分离全回收一级亚轨道运载火箭，其可回收并重复使用发射亚轨道载荷。一级亚轨道运载火箭包含火箭所必需的系统，火箭所必需的系统包括总体、动力、输送、增压、结构、电气控制和地面设施。一级箭体1结构主要包括从上至下依次设置的一级燃箱13、一级氧箱12和一级火箭的动力系统。优选地，本发明的一级火箭的动力系统包括至少两台一级动力发动机11和一台回收动力系统16，一级动力发动机11和回收动力系统16设置于一级箭体1（优选在一级氧箱12）的下端。

本发明创新重点之一在运载火箭总体结构及一级动力发动机11、回收动力系统16的统筹布局和瓜瓣套罩6形式与功能设计、气动分离姿控装置65的分离与姿控功能设计、气动分离姿控装置65的姿控与回收动力系统16的联合姿控功能设计。

本发明的“瓜瓣套罩6”方案可适用于发射二级火箭2，尤其适用于卫星5体积较大、较长的火箭。瓜瓣套罩6自上而下依次包括瓜瓣罩61、滑轨筒罩62和支座63，其中，瓜瓣罩61自上而下依次包括有瓜瓣部611和壳段612；壳段612呈筒状，壳段612的上部与瓜瓣部611活动连接；滑轨筒罩62包括套筒621，套筒621上部与壳段612下部相连接，套筒621下部连接有支座63，套筒621的内侧面设置有滑轨622。二级火箭2中的至少一部分与滑轨622相匹配的滑动连接。瓜瓣套罩6还包括有气动分离姿控装置65。根据需要，如图3C所示，还可在瓜瓣套罩6的外侧面周向均匀分布设置至少两个栅格翼64用于稳定气流；也可以增加着陆腿辅助火箭着陆。

瓜瓣套罩6合罩封闭，使瓜瓣套罩6内的亚轨道载荷免受火箭飞行中的气动工况影响；瓜瓣罩61开罩后亚轨道载荷分离。瓜瓣罩61上的每个瓜瓣部611都连接有用于控制其开闭的作动机构，通过电动、气动、液压作动机构或舵机作动打开或关闭，并按照需要的开度渐进调整瓜瓣罩61开度，实现开罩、合罩。这样，确保瓜瓣套罩6始终与一级箭体1成为一体结构、不分离，从而能够整体进行回收。相邻的瓜瓣部611的对接面均设置有耐高温的密封结构（例如耐高温橡胶密封结构），瓜瓣部611闭合时，瓜瓣部与密封结构相匹配且瓜瓣部密封地接触或抵触在一起；保证各瓜瓣部611间的密封。

更详细地说，在一实施例中，套筒621下部与一级箭体1的上端相连接，支座63位于套筒621内；在另一实施例中，支座63连接于套筒621的下端，支座63与一级箭体1的上端相连接。

滑轨筒罩62对载荷（优选二级以上箭体结构产品等）起到气动保护作用，改善了受保护产品的工况环境，降低了载荷（优选二级以上箭体结构产品等）的设计要求，有利于降低相关产品的成本。滑轨筒罩62中的套筒621采用铝合金行条、环框、蒙皮结构，或采用玻璃纤维、碳纤维复合结构进一步减重。考虑工艺的便利性和综合成本，一般情况下套筒621的长度设计在例如3m左右。如果套筒621尺寸较长，可分段设计和生产。可以想到的是，套筒621与壳段612可以设计为一体结构，本实施例中将其分为两个部件，主要考虑工艺、生产、试验等过程操作更方便，以及便于调整更换以适应不同载荷的体积需要。

套筒621结构内置滑轨622，起到安装约束和分离限位作用。在一实施例中，滑轨622沿周向设置有一个或多个，滑轨622的长度方向与套筒621的长度方向（亦即火箭的长度方向）一致；二级火箭2的外侧面上对应设置有一个或多个滑块，滑轨622与滑块相匹配地滑动连接。可以理解的是，滑轨622与滑块构成一组滑动连接组件，其二者位置对调也可，以及能实现滑动的具体结构均可，故本发明不作具体限定。滑轨622优选为采用强度较好、刚度更好的铝基陶瓷材料结构，并在表面设置固体润滑涂层，更利于分离，保护载荷免受外力损伤。

支座63上设有用于将二级火箭2锁紧或释放的电控锁紧装置。二级火箭2安装在适配的支座63上，可通过电控锁紧装置锁紧固定或解锁打开、释放；支座63根据二级火箭2等载荷类型做系列化模块化设计，供各类载荷安装快速选配，既降低成本，又缩短研制周期。

根据瓜瓣套罩6内二级或上面级火箭、卫星及其它各类亚轨道载荷的体积、直径等尺寸大小，瓜瓣套罩6的结构可采用两瓜瓣式、三瓜瓣式、四瓜瓣式、六瓜瓣式以及端帽套罩等多种形式。对于两瓜瓣式、三瓜瓣式、四瓜瓣式、六瓜瓣式等，瓜瓣部611为二个或多个，瓜瓣部611为将一圆锥面均分为所得到的形状，相邻两瓜瓣部611之间的接缝为瓜瓣部611所组成的圆锥面的母线；当然，也可采用各瓜瓣部611形状并不完全相同的其他结构等等。而对于端帽套罩方案，瓜瓣部611只有一个，为呈半球或半椭球的壳状的端帽套罩611C，端帽套罩611C倒扣于壳段612上并在一侧可开合地活动连接。

具体例如，三级火箭3的长度尺寸较长，三级火箭3的直径不大于二级火箭2直径，卫星5的体积或外包络较大、且直径超过二级火箭2的外径，优选可采用四瓜瓣方案，如图2C、图3A所示。

再如，二级火箭2的长度尺寸较长，卫星5的体积或外包络较大、且直径超过二级火箭2的外径，优选可采用六瓜瓣式且壳段612直径较大的方案，如图5A至图5C所示。

又如，二级火箭2的长度尺寸较长，二级火箭2和卫星5的外包络直径较小，优选可采用端帽套罩方案，如图4A、图4B所示。

关于瓜瓣套罩6结构形式的选择，主要视瓜瓣罩的直径而定：1m直径左右可不分瓣、采用端帽套罩，也可以采用两瓜瓣式；2m~3m直径左右采用三瓜瓣或四瓜瓣式；4m~6m直径左右采用六瓜瓣或八瓜瓣式。

气动分离姿控装置65的功能主要是气动分离和姿态控制，也可以为快速下落的火箭降速。请参阅图2B、图2C，气动分离姿控装置65包括有气瓶651，气瓶651连接有气缸652，气缸652具有缸筒和活塞，缸筒与一级箭体1或瓜瓣套罩6固定连接，活塞用于将二级火箭2向上推动。气瓶651还连接有输气管路653，输气管路653至少有两条，数条输气管路653沿瓜瓣套罩6内壁周向均匀分布设置，每条输气管路653的末端均分支有两条相互垂直的排气管655，排气管655上设置有控制其通断的阀门654。排气管655的输出端设置于瓜瓣套罩6上部的外表面上。

具体地，气瓶651例如采用23MPa或35MPa的复合材料高压气瓶；其中的气体选用高压氮气或比重较大的其它混合气体。一实施例中，如图2B、图2C所示，气瓶651及相连的气缸652的安装位置为二级火箭2喷管周围的空隙，当然也可以选用其它位置；气缸652的缸筒与支座63固定连接，活塞接触二级火箭2的底部。气瓶651上具有控制其放气的气瓶阀，通过气瓶阀控制气瓶651中的高压气体进入气缸652，气缸652在气体压力作用下形成向上（沿箭体中心线向上）的作用力和向下的反作用力，推动二级火箭2和一级箭体1分离。气缸652活塞作动距离例如设置为0.3m，使受力的二级火箭2和一级箭体1产生一定的相对分离速度，确保顺利分离。

对于气动分离力，例如气缸652选用8组、同时供排气作动，气缸652直径设计在100mm左右，气缸内气体压力为3MPa，将产生的分离力为：F=8×3.14×5²×3×10=7.85×10⁴kg=18.8t。18.8t的气动分离力，足以使二级火箭2和一级箭体1顺利分离。

姿态控制方面，一优选实施例如图2C、图3C、图3D所示，输气管路653共有四条；阀门654为二位三通阀，每条输气管路653均通过一个二位三通阀与其上的两条排气管655相连接；在其他实施例中，也可以其他方式控制，如每个排气管655用一个电磁阀控制等；壳段612的外侧面上设置有多个排气孔，排气管655的输出端与排气孔对应地相连接，且排气孔均位于同一水平面上。排气管655的朝向均为斜下方，例如与火箭中心线呈约30°夹角（或排气管655出口方向可做上下左右调整）。

姿态控制时，径向两侧对称的两组排气管655，同侧且同向的排气管655（例如图3C中右侧上下两个均朝向右侧的排气管655）打开可控制俯仰或偏航，不同侧且朝向相反的排气管655（例如图3C中左下朝下的和右上朝上的两个排气管655）打开可控制滚转。如果两侧或四周的排气管655都打开，气体向斜下方排出，各路气体排出的反作用力将给火箭一正推力、给火箭一正向加速度，确保一级箭体1的燃料沉底，以避免火箭在失重状态下燃料无法正常进入一级箭体1下部的各发动机、影响发动机工作。上述正推力还可使一级箭体1降速，利于火箭回收。排气管655输出端安装位置尽可能接近壳段612上缘，位置越靠上，距离火箭质心的距离越远，姿控效率越高。根据需要，也可将部分排气管655方向设置为斜向上，从而能够形成反推力有助于一二级分离过程的进行。

四套输气管路653也可以简化为两套，对称安装在壳段612的两侧。优选设计四套输气管路653的好处在于，可以通过其中一组对称的两管路重点考虑姿控调姿；另一组对称的两管路重点考虑给火箭一正推力、给火箭一正向加速度，确保一级箭体1的燃料沉底；这样既考虑了冗余，也提升了效率。

回收动力系统16包括具有喷管162的回收动力发动机161，回收动力发动机161设置于一级箭体1底部居中位置，喷管162的朝向固定设置或调节为朝下；一级动力发动机11为二个或多个，且周向均匀围绕回收动力发动机161设置。优选地，回收动力发动机161通过摆转机构163与一级箭体1相连接，摆转机构163用于控制回收动力发动机161以及喷管162转动。摆转机构163例如包括有万向铰链机构以及作动机构，可通过控制系统控制伺服摆动，从而控制喷管162的朝向。回收动力系统16的几种设置方案实施例如下。

实施例一：单台“双摆管”回收动力发动机联合气动姿控。

回收动力系统16采用一台双向摇摆回收动力发动机161安装在周向均布的两台或多台一级动力发动机11中间。其工作机理为：（1）火箭发射起飞段，回收动力发动机161和一级动力发动机11共同启动，助推火箭加速上升。火箭上升到一定高度后，为了降低火箭的上升加速度，回收动力发动机161可以适时关机。火箭上升过程，回收动力发动机161偏摆控制火箭的俯仰和偏航姿态，气动分离姿控装置65控制滚转姿态。（2）火箭回收落地前一定的高度（例如10km左右），启动回收动力发动机161，对火箭形成向上的推力、使火箭减速；着陆前，调节回收动力发动机161的推力平衡火箭的重力和速度，通过偏摆回收动力发动机161及其喷管162调整火箭的俯仰和偏航姿态（气动分离姿控装置65控制滚转姿态），使火箭回收过程稳定控制和精准着陆。

实施例二：单台“不摆管”回收动力发动机联合气动姿控。

回收动力发动机161安装在周向均布的两台或多台一级动力发动机11中间。回收动力发动机161不摆管、不参与姿态控制，仅做推力调节。火箭上升过程及回落过程，其俯仰、偏航和滚转等姿态控制均由气动分离姿控装置65的姿控功能完成。动力系统工作机理为：（1）火箭发射起飞段，回收动力发动机161和一级动力发动机11共同启动，助推火箭加速上升。火箭上升到一定高度后，为了降低火箭的上升加速度，回收动力发动机161可以适时关机。火箭回收落地前一定的高度（例如10km左右），启动回收动力发动机161，对火箭形成向上的推力、使火箭减速；着陆前，调节回收动力发动机161的推力，平衡火箭的重力和速度，使火箭回收过程稳定控制和精准着陆。

对于回收动力发动机161和一级动力发动机11的统筹布局，本发明主要采用“一回收N主发”形式，一级箭体1底部中间安装一台回收动力系统16主发动机，回收动力系统16发动机四周对称安装N台（两台、三台或四台或更多台）一级动力发动机11主发动机。如果发动机及喷管在一级箭体1内布置空间不足（例如采用2.25m直径的一级箭体1结构时），可考虑将一级动力发动机11的一部分（例如其喷管的一部分）突出在一级箭体1外壁之外，然后在突出部位外加整流罩或翼罩改善气动性能。具体几种布局方案实施例如下。

实施例三：“一回收二主发”，如图6A所示，一级动力发动机11采用两台主发动机，中间配置一台回收动力发动机161。两大一小三台发动机数量最少，三台发动机喷管直线空间较最大，对火箭的小直径设计不利，箭体直径或发动机安装空间要求最大，一级动力发动机或其喷管可能突出至一级箭体1的箭壁（外壳）以外，不利于发动机布局。单台回收动力发动机161控制难度较小。因此，此种三台发动机的方案成本较低。

实施例四：“一回收三主发”，如图6B所示，一级动力发动机11采用三台主发动机，中间配置一台回收动力发动机161。三大一小发动机数量增加，发动机喷管直线空间距离降低，对火箭的小直径设计相对于“一回收二主发”可能有利。箭体直径或发动机安装空间要求较大。一级动力发动机11或其喷管可能不会突出至一级箭体1箭壁以外，有利于发动机布局。单台回收发动机控制难度较小。但此种四台发动机方案成本较高。

实施例五：其他“一回收多主发”方案，请参阅图6C，一级动力发动机11多台主发动机中间配置一台回收动力发动机161。采用多台发动机，发动机的推力及其喷管尺寸降低，更有利于发动机布局。发动机数量增加，多台发动机成本将随着发动机数量的增加而增大。

关于一级箭体1的动力系统方案的选择，动力系统是可回收火箭设计的关键，本发明中“一回收N主发”中的一台“小推力”回收动力发动机161加两台或多台“大推力”一级动力发动机11（主发动机）的设置和安装形式是本方案的突出特点，首先确定火箭总推力和回收动力发动机161的推力，再根据一级箭体1底部面积等具体情况选定一级动力发动机11为二台、三台或四台等。本发明适应不同火箭的具体情况，并且能够减少发动机数量，成本更低。一台“小推力”回收动力发动机加三台“较大推力”主发动机的设置和安装形式，也可以作为火箭总体性能及成本优化的方案选择。一级箭体1发动机系统采用哪种配置，需要根据总体设计、参数优化和动力供应商能力及成本控制等多方面要素来评定决策。

关于本发明的火箭中各发动机的布局，本发明优选采用“大一级”方案及动力系统设置。因为含一级箭体1和瓜瓣套罩6的“一级亚轨道运载火箭”整体回收、复用，而二级以上的火箭（或上面级火箭）不回收，故火箭总体设计将采用“大一级小二级”方案，即，一级箭体1的体积及发动机推力远大于二级火箭2（或上面级火箭等），从而尽可能提高火箭的回收、复用效率。本方案典型案例中，一级起飞推力和二、三级推力分别设置为165t、15t、4×1000N。回收动力发动机161推力可设定在一级动力发动机11的10%左右；例如一级动力发动机11推力和回收动力发动机161的合力为165t，回收动力发动机161推力设置在15t左右，具体参数需要根据回收火箭的干重和回收用燃料及其余量等参数优化确定。回收动力发动机161推力可在额定推力50%范围内调节。火箭回收着陆时的总重量设定在回收动力发动机161推力的60%左右，留10%的余量。

本发明的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭的飞行程序及状态如下：

（1）运载火箭地面发射及一级火箭上升段飞行过程中，一级动力发动机11启动工作，瓜瓣罩61处于合罩状态；回收动力系统16发动机启动工作，和一级动力发动机11产生的推力，共同推动火箭升空。

（2）在运载火箭穿越大气层到达指定分离高度，一二级分离前，一级动力发动机11和回收动力系统16发动机关闭；瓜瓣罩61打开，气动分离姿控装置65启动，推动二级火箭2和一级箭体1分离。

（3）一二级分离后，二级火箭2的发动机启动，推送二级火箭2继续飞行、滑行，并利用发动机二次启动技术，推送卫星5进入预定轨道。

（4）一二级分离后，瓜瓣罩61合罩，含一级箭体1和瓜瓣套罩6的“一级亚轨道运载火箭”返回地面，“一级亚轨道运载火箭”在地球引力作用下向下、向地面回落。过程中，一级动力发动机11和回收动力系统16熄火、不工作；气动分离姿控装置65转换其姿控功能、起调姿作用。

（5）“一级亚轨道运载火箭”返回大气层，继续下落飞向地面。火箭在落地前预定高度，回收动力系统16再次启动，依靠回收动力系统16推力大小和方向不断调整，结合气动分离姿控装置65的调姿作用，控制火箭俯仰、偏航、滚转等姿态并缓慢稳定下降，最终降落到指定回收位置的回收装置8上。回收装置8上的立柱上缘向外张开5°左右，便于火箭安全着陆并落入回收装置8的四个立柱中。

本发明的突出特点如下：

1、一级动力系统设置：一级动力发动机11和回收动力系统16安装在火箭一级箭体1底部，主要采用“一回收多主发”方式，一级箭体1底部中间安装一台回收动力主发动机，回收动力发动机四周对称安装两台、三台或多台一级动力发动机11（一级主发动机），回收动力发动机推力合力例如设置在火箭起飞推力的十分之一左右。火箭回收落地前回收动力发动机启动，对火箭形成推力、使火箭减速并调整火箭的姿态，使火箭回收过程稳定控制和精准着陆。

2、一级亚轨道火箭全回收、复用：瓜瓣套罩6与一级箭体1及其动力、结构、电气系统形成完整的“瓜瓣套罩气动分离全回收一级亚轨道火箭”，整体全回收。火箭瓜瓣套罩6包覆有卫星5、二级火箭2或上面级等各类载荷，瓜瓣套罩6直接与一级箭体1相连接，和一级箭体1不分离、不抛罩，载荷分离后合罩，瓜瓣套罩6与一级箭体1整体飞行、整体回收。含瓜瓣套罩6和一级箭体1的“一级亚轨道运载火箭”整体回收后返厂，经过质量检查或功能测试、评定，满足再次发射使用要求、可重复使用，用于新的亚轨道载荷发射任务。

3、大一级小二级方案：因为“一级亚轨道运载火箭”回收、复用，二级火箭2及以上的火箭（或上面级火箭）不回收，火箭总体设计将采用“一级箭体1推力较大”的方案，尽可能提高火箭的回收、复用效率。

4、气动分离、姿控一体化设计：气动分离姿控装置65设计为气动分离和气体姿控一体化系统，既能为火箭一二级分离提供分离推力，又能通过管路、阀门及其管路出口与箭体表面安装位置和方向的设置，应用管路出口排气产生的气动力调整火箭的姿态。

5、瓜瓣套罩的设计：一能和一级箭体1整体回收，实现了含一级箭体1和瓜瓣套罩6的“一级亚轨道运载火箭”全回收；二能保护二级或上面级火箭、避免其受气动载荷等作用，降低了二级火箭2箭体结构的设计要求，有利于降低不可回收的二级火箭2结构的成本；三能将气动分离姿控装置65的排气孔安装在瓜瓣套罩6的上部、远离质心，增大了喷气反推力的力臂，提升姿控力矩和姿控效率。

本发明的一实施例的运载火箭的技术方案及指标如下：

（1）构型：瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭；

（2）SSO载荷质量：低轨道载荷1t；

（3）载荷容积：长度10m，直径包络不大于2m；

（4）全长：33m；一级箭体及筒罩、瓜瓣罩壳段直径2.25m；

（5）火箭动力：液氧、煤油体系；

一级动力：两台75t发动机（或三台50t发动机）；

二级动力：一台15t可双向摇摆发动机，可二次启动；

回收动力：50%推力调节，一台15t双向摇摆发动机；

（6）起飞重量：130t；

（7）起飞推力：165t以上；

（8）回收复用：20次。

说明：上述指标为一种典型二级运载火箭，仅供参考。本发明方案形式或技术可用于例如各类直径4.5m以内的小运载、中运载二级运载火箭或三级运载火箭，高轨道载荷范围可覆盖100kg至15t。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其特征在于，其包括一级箭体，一级箭体上端设置有瓜瓣套罩，瓜瓣套罩内容纳有载有载荷的二级火箭；一级箭体的下端居中位置设置有一个回收动力系统，并围绕回收动力系统设置有二个或多个一级动力发动机；

瓜瓣套罩自上而下依次包括瓜瓣部、壳段、滑轨筒罩和支座；壳段呈筒状，壳段的上部与瓜瓣部活动连接；滑轨筒罩包括套筒，套筒上部与壳段下部相连接，套筒下部连接有支座，套筒的内侧面设置有滑轨；二级火箭的至少一部分与滑轨相匹配的滑动连接；瓜瓣套罩还包括有气动分离姿控装置；瓜瓣部为呈半球或半椭球的壳状的端帽套罩，端帽套罩倒扣于壳段上并在一侧可开合地活动连接，端帽套罩连接有用于控制其开闭的作动机构；

气动分离姿控装置包括有气瓶，气瓶连接有气缸，气缸具有缸筒和活塞，缸筒与一级箭体或瓜瓣套罩固定连接，活塞用于将二级火箭向上推动；气瓶还连接有输气管路，输气管路至少有两条，数条输气管路沿瓜瓣套罩内壁周向均匀分布设置，每条输气管路的末端均分支有两条相互垂直的排气管，排气管上设置有控制其通断的阀门；排气管的输出端设置于瓜瓣套罩上部的外表面上

输气管路共有四条；阀门为二位三通阀，每条输气管路均通过一个二位三通阀与其上的两条排气管相连接；壳段的外侧面上设置有多个排气孔，排气管的输出端与排气孔对应地相连接，且排气孔均位于同一水平面上；排气管的朝向均为斜下方；

回收动力系统包括具有喷管的回收动力发动机，回收动力发动机设置于一级箭体底部居中位置，喷管的朝向固定设置或调节为朝下；数个一级动力发动机周向均匀围绕回收动力发动机设置；一级动力发动机的推力大于回收动力发动机的推力。

2.根据权利要求1所述的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其特征在于，滑轨沿周向设置有一个或多个，滑轨的长度方向与套筒的长度方向一致；二级火箭的外侧面上对应设置有一个或多个滑块，滑轨与滑块相匹配地滑动连接；支座上设有用于将二级火箭锁紧或释放的电控锁紧装置。

3.根据权利要求2所述的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其特征在于，一级动力发动机的一部分突出到一级箭体外壁之外，在突出位置处在一级箭体的外壁上设置有整流罩或翼罩。

4.根据权利要求2所述的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其特征在于，回收动力发动机通过摆转机构与一级箭体相连接，摆转机构用于控制回收动力发动机以及喷管转动。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的瓜瓣套罩气动分离可回收二级运载火箭，其特征在于，在瓜瓣套罩的外侧面周向均匀分布设置有至少两个栅格翼。

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