CN114735248A - 一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其属于航天火箭技术领域，其包括一级箭体、设置于一级箭体上端的锥顶罩，以及回收动力装置；锥顶罩中容纳有载荷；回收动力装置至少包括回收动力发动机和设置于其外侧的回收动力罩，回收动力发动机上具有发动机喷管，发动机喷管的朝向固定设置为或可调节为向下或朝外的斜下方；回收动力装置有两个，于两侧对称地设置于一级箭体上部的外侧面上或者锥顶罩的外侧面上。本发明锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭解决了现有技术降落点不可控及回收有难度的技术问题，本发明能够提供地面发射、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。

Description

一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭

技术领域

本发明属于航天火箭技术领域，具体涉及一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭。

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，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。上世纪中开始，世界各航天大国持续开展可重复使用航天运输系统的研究和试验。

一般二级运载火箭及其飞行过程分离状态如图1A至图1D所示。火箭主要由一级箭体（或称一级火箭）1'、二级火箭2'、整流罩4'组成，主要功能是发射载荷例如卫星3'。其中，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1A火箭结构示意图所示；火箭飞行到一定高度后一级箭体1'分离，如图1B一二级分离示意图所示，一级箭体1'被抛掉后飞落至地面，损毁弃用；火箭继续向上飞行，飞离大气层，整流罩4'分离、抛罩，如图1C整流罩抛罩示意图所示，整流罩4'落地损毁；火箭继续飞行至预定轨道，卫星3'分离，如图1D卫星分离示意图所示。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。

目前，国内的运载火箭还没有实现工程上的回收，火箭的发射费用高于SpaceX公司的火箭发射费用。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，锥顶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，并采用回收动力位于火箭上部的拉式回收方式，确保火箭回收着陆稳定、精准，且降低了对着陆点的要求。

基于本发明的技术方案，本发明提供了一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其属于航天火箭技术领域，其包括一级箭体、设置于一级箭体上端的锥顶罩，以及回收动力装置；锥顶罩中容纳有载荷；回收动力装置至少包括回收动力发动机和设置于其外侧的回收动力罩，回收动力发动机上具有发动机喷管，发动机喷管的朝向固定设置为或可调节为向下或朝外的斜下方；回收动力装置有两个，于两侧对称地设置于一级箭体上部的外侧面上或者锥顶罩的外侧面上。

进一步地，锥顶罩包括瓜瓣部、壳段和载荷支座；瓜瓣部为二个或多个，壳段呈筒状，壳段的上部与各个瓜瓣部活动连接，二个或多个瓜瓣部合拢后呈锥形；壳段下部与载荷支座相连接；瓜瓣部、壳段以及载荷支座共同围成一个可开闭的用于容纳载荷的空间。

进一步地，壳段下部与一级箭体的上端相连接，载荷支座位于壳段内；或者，载荷支座连接于壳段的下端，载荷支座与一级箭体的上端相连接。

优选地，载荷支座上设有用于将载荷锁紧或释放的电控锁紧装置；瓜瓣部连接有用于控制其开闭的作动机构。

优选地，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，密封结构相匹配且密封地相抵触。

优选地，瓜瓣部为一圆锥面均分所得到的形状，相邻两瓜瓣部之间的接缝为瓜瓣部所组成的圆锥面的母线。

优选地，在一级箭体或锥顶罩的外侧面对称安装有两台或多台反推火箭，反推火箭的喷火方向为向上或朝外的斜上方。

根据一些实施例，一级箭体或锥顶罩的外侧面固定设置有横梁，回收动力装置与横梁相连接；或者，锥顶罩顶端向上延伸设置有锥顶柱，回收动力装置与锥顶柱相连接。

优选地，回收动力发动机通过发动机支座与一级箭体或锥顶罩可转动的相连接，回收动力发动机连接有用于控制其转动的摆转机构。

优选地，回收动力发动机及发动机喷管为相对于运载火箭可周向摆动地设置、可径向摆动地设置或者可周向及径向双向摆动地设置，通过摆动控制火箭姿态。

与现有技术相比，本发明锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的有益技术效果如下：

1、本发明的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭采用拉式回收，其突出优点是回收过程易于控制，确保火箭稳定回收和精准着陆。

2、锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，回收动力在上面，无需安装在一级箭体底部中间，特别有利于一级发动机的选配和布局，减少发动机配置数量，降低配套成本。

3、锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的拉式回收过程中一级箭体主发动机不启动、不工作、不喷火，降低了着陆地点或回收平台的要求，有利于着陆地点的选择；有利于发射回收装置的简化设计，降低建设费用，火箭发射、回收更具安全性。

4、锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭可通过回收动力调节、代替栅格翼功能，控制火箭的调姿、稳定，进一步节约成本。在两侧设置两台回收动力装置，实现助推、姿控、回收、反推动力等功能，提高利用效率，有效降低成本。

5、锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭可100%整体回收，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。例如利用本发明锥顶罩拉式回收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。

6、本发明的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭可发射亚轨道载荷，也可以推送二级或三级火箭，作为二三级火箭的助推器。

7、锥顶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。

8、锥顶罩可采用两瓣罩、三瓣罩、四瓣罩、六瓣罩、八瓣罩等方案，提供更多选择。优选采用四瓣罩方案，结构设计与实现更容易，成本较低。

9、本发明锥顶罩拉式回收亚轨道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。

10、锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的发射，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。

11、本发明的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭可发射亚轨道载荷，全回收复用，可以和二三级火箭形成一种锥顶罩可回收三级运载火箭；还可以推送二级或二三级火箭（上面级），用作二三级火箭的助推器，发射低轨或高轨道载荷；也可以将飞行器或各类装备以一定的速度发射到大气层内一定的高度；将来将应用于太空旅游、太空运输和洲际运输。运载火箭发射费用的降低，为洲际运输、太空旅游、太空试验及太空产业和太空经济发展奠定基础。

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锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的外观结构示意图。

图2B为图2A所示锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的剖面结构示意图。

图2C为图2A所示锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的锥顶罩打开、与载荷分离状态的示意图。

图2D为图2A所示锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭回收着陆状态的示意图。

图3为图2B中A部分的局部放大示意图。

图4A至图4D为本发明一些实施例中锥顶罩的俯视示意图。

图5为本发明一实施例中回收动力装置布局方案的俯视示意图。

图6A至图6D为本发明一些实施例中回收动力装置布局方案的主视示意图。

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，本发明的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，是一种全回收“一级亚轨道运载火箭”，其主要由一级箭体1和锥顶罩61组成。整体而言，其包含总体、动力、输送、增压、结构、电气控制等运载火箭所必需的系统，其主要功能为将二、三级或上面级火箭及其卫星等载荷30送至太空预定轨道。

其中，如图2B所示，一级箭体1的结构主要包括自下而上依次设置的一级动力发动机11（一级火箭发动机）、一级氧箱12、一级燃箱13，这些部件均设置于一级箭体1的外壳内。

本发明的主要改进之一在于设置于一级箭体1上端的锥顶罩61，锥顶罩61用于容纳载荷30，并且不抛罩、便于回收；以及回收动力装置66，能够起到拉式回收、调节姿态等作用。本发明适用的载荷30例如包括发射载荷，以及二级火箭2或者二级火箭和三级火箭；发射载荷为卫星5、无人机、各类舱体和/或装备。

请参阅图2B、图2C，锥顶罩61包括瓜瓣部611、壳段612和载荷支座623；瓜瓣部611为二个或多个，壳段612呈筒状，壳段612位于瓜瓣部611下方，壳段612的上部与各个瓜瓣部611以例如铰接方式活动连接，使瓜瓣部611能够打开和合拢，瓜瓣部611合拢后呈锥形。壳段612下部与载荷支座623相连接。瓜瓣部611、壳段612以及载荷支座623共同围成一个可开闭的用于容纳载荷30的空间。具体地，在一实施例中，壳段612下部与一级箭体1的上端相连接，载荷支座623位于壳段612内；或者，载荷支座623连接于壳段612的下端，载荷支座623与一级箭体1的上端相连接。这样，相当于释放载荷时整流罩不进行分离抛罩、始终与一级箭体1相连，从而能够整体进行回收。本发明的方案尤其适合于火箭发射上面级或体积较小亚轨道载荷的情况。

载荷支座623的上面设置有电控锁紧装置，载荷30安装在载荷支座623上，通过电控锁紧装置锁紧固定、在释放载荷时解锁打开。载荷支座623可根据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。

进一步具体地，对于瓜瓣部611，相邻的瓜瓣部611的对接面均设置有耐高温橡胶密封结构（例如类似于密封条的条带状结构），锥顶罩61关闭时密封结构相匹配且密封地相抵触，保证各瓜瓣部611间的密封。瓜瓣部611连接有作动机构，通过例如电动、液压机构或舵机等，并可根据需要渐进地调整开度，实现多个瓜瓣部611的同步打开和关闭。作动机构及瓜瓣部611的数量与产品配套成本直接相关，数量越多成本越高，故应该尽可能减少瓜瓣部611数量，且结合成本控制和工艺需求来优化平衡。

一般情况下，可采用例如二瓣罩（图4A）、三瓣罩（图4B）、四瓣罩（图4C）、六瓣罩（图4D）、八瓣罩等形式，也可以根据需要设计为其它形式。各瓜瓣部611一般按照轴对称均分，即瓜瓣部611为一圆锥面均分所得到的形状，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。瓜瓣部611也可根据需要设计为通过火箭中轴的面对称结构，或者各瓜瓣部611形状并不完全相同的其他结构等等。瓜瓣部611的数量与火箭直径直接相关，一般情况下，火箭直径越大、瓜瓣部611越多。例如，火箭的锥顶罩61的直径在2m~4m左右的，优选采用三瓣罩或四瓣罩形式；直径在4m~6m左右的，优选采用六瓣罩或八瓣罩形式。

请参阅图2B和图3，回收动力装置66包括有回收动力发动机661（回收动力发动机661上具有发动机喷管662）和回收动力罩665。多个回收动力发动机661通过发动机支座664（当然也可以其他方式例如直接固定）周向安装于运载火箭上部的外侧面（例如壳段612或一级箭体1上部的外侧面）。发动机喷管662的朝向固定设置为或可调节为向下或朝外的斜下方。回收动力罩665位于回收动力发动机661外部，有助于降低火箭飞行中的气动阻力。回收动力罩665可结合一级箭体1结构或锥顶罩61结构以及回收动力装置66等统筹设计，例如图2B和图3所示实施例中，回收动力罩665与锥顶罩61外侧面相匹配地固定连接，并在发动机喷管662末端相应位置设有通孔。或者，可结合发动机转向或推力方向的调整，设计能够适应发动机转向的回收动力罩665。在一些实施例中，回收动力发动机661还连接有摆转机构663（例如摆转机构663设置于回收动力发动机661与发动机支座664之间，摆转机构663中包括有水平/竖直设置的铰链机构以及作动机构），可通过控制系统控制伺服摆动，从而控制发动机喷管662的朝向。回收动力发动机661的发动机介质可以使用一级箭体1的液氧煤油，通过管路阀门向上输送；也可以在回收动力发动机661处单独配套介质贮箱。

由于回收动力装置66位于运载火箭的上部，实现了“拉式回收”，回收动力位于上方，而无需安装在一级箭体1底部中间，特别有利于火箭回收过程的稳定控制和精准着陆，同时也特别有利于一级动力发动机11（一级发动机）的选配和布局，可以减少发动机配置数量，降低配套成本。此外，拉式回收火箭，回收过程一级箭体1不工作，有利于发射回收装置的简化设计，降低建设费用，火箭发射、回收更具安全性。并且，拉式回收火箭可通过回收动力调节、代替栅格翼功能，控制火箭的调姿、稳定。

具体地，回收动力装置66的设置方式，要保证回收动力推力矢量作用点始终在质心（火箭飞行过程中质心位置是变化的）上方，对火箭形成拉力。可根据优化配置和条件，周向均匀（对称）安装两台或三台、四台、五台、六台、八台回收动力装置66等方案；考虑对称性及其控制的便利性，优选采用图5所示，回收动力装置66有两个，于两侧对称地设置于一级箭体1上部的外侧面上或者锥顶罩61的外侧面上。

另一方面，对于回收动力装置66在不同高度位置的布置，可例如图6A所示，回收动力装置66直接连接于火箭中上部；或如图6B所示，一级箭体1或锥顶罩61的外侧面固定设置有横梁67，回收动力装置66与横梁67相连接；再如图6C所示，回收动力装置66连接于瓜瓣部611的外侧面上；又如图6D所示，瓜瓣部611顶端向上延伸设置有一根或多根锥顶柱68，回收动力装置66与锥顶柱68相连接。

回收动力装置66及其回收动力发动机661的安装，和一级箭体1及锥顶罩61外壁之间需要控制一定的安全距离，或发动机喷管662推力线与箭体中心线保持一定的相对角度（例如30°左右），或同时设定安全距离和角度（亦可通过机构调整距离或角度），这样既能保持发动机推力的有效利用，又能够避免回收动力发动机661喷出的火焰热能烧蚀一级箭体1或锥顶罩61，进而确保一级箭体1或锥顶罩61的安全。上述安全距离可通过发动机支座664的设计或者设置一定长度的横梁67实现。

在一实施例中，回收动力发动机661推力合力结合回收火箭质量设定，一般设定在一级动力发动机11的10%~20%之间；例如一级动力发动机11的发动机推力100t，两台回收动力发动机661可选择单台10t左右的发动机；三、四台回收动力发动机661可选择单台5t左右的发动机。回收动力发动机661推力可在额定推力50%范围内调节。

对于载荷30与火箭的分离，由于载荷30在锥顶罩61内，其分离需要对载荷30或一级箭体1提供一分离力使载荷30或一级箭体1产生一相对加速度和相对速度，进而拉开载荷30与火箭的距离。发明人在此给出如下三种方案提供该分离力：

1、回收动力发动机661上摆方案：火箭亚轨道载荷分离过程中，回收动力发动机661及发动机喷管662摆至朝外的斜上方，回收动力发动机661启动、提供反向分离力，助力载荷30（例如可以是二级火箭）与一级箭体1的分离；分离后，回收动力发动机661及发动机喷管662摆至朝外的斜下方归位。

2、安装反推火箭方案：在火箭一级箭体1或锥顶罩61的外缘对称安装反推火箭（例如两台），反推火箭的喷火方向为向上或朝外的斜上方。分离时启动反推火箭，提供反向分离力。

3、气动分离方案：采用高压气或燃气等、通过其排出方向的调整助力火箭与载荷30分离或控制火箭的姿态。

对于回收动力装置66设置方案，大体可分为，回收动力发动机661及发动机喷管662为相对于运载火箭可周向摆动地设置、可径向摆动地设置、可周向及径向双向摆动地设置，通过摆动控制火箭姿态；以及不能摆动直接固定连接的方案；具体给出如下实施例。

实施例一：两台固定“不摆管”回收动力发动机方案：

锥顶罩61的壳段612外侧固定安装两台回收动力发动机661，回收动力发动机661推力优选为10t，回收动力发动机661与一级箭体1呈30°夹角固定安装（发动机喷管662朝向为朝外的斜下方），回收动力发动机661及其发动机喷管662不摆动，提供火箭助推、回收动力和姿控推力；火箭分离力由一级箭体1底部外缘对称安装两台反推火箭提供。其工作机理：（1）回收动力姿控功能：设置与箭体呈30°夹角的发动机且通过两台发动机的推力大小调节控制火箭俯仰姿态（通过安装简易的“气动姿控系统”控制火箭的偏航和滚转姿态）。（2）回收动力推力功能：火箭上升过程中回收动力发动机661启动、提供正向推力，使火箭加速上升；火箭回收过程中，回收动力发动机661启动、提供反向推力，火箭减速下降。

实施例二：两台“周向单摆”回收动力发动机方案：

锥顶罩61的壳段612外侧安装两台单向摇摆（周向）回收动力发动机661，回收动力发动机661推力优选为10t，发动机喷管662朝向为朝外的斜下方，提供火箭助推、回收动力和姿控推力；火箭分离力由一级箭体1底部外缘对称安装两台反推火箭提供。其中，“周向”是相对于整体呈柱状的运载火箭而言的，其是指，请参阅图2B，发动机喷管662能够以摆转机构663为轴沿垂直于图纸平面的方向转动。其工作机理：（1）回收动力姿控功能：回收动力发动机同向偏摆控制俯仰姿态，异向偏摆控制滚转姿态；设置与箭体呈30°夹角的发动机，通过推力调节控制偏航姿态。（2）回收动力推力功能：火箭上升过程中回收动力发动机启动、提供正向推力，使火箭加速上升；火箭回收过程中，回收动力发动机661启动、提供反向推力，火箭减速下降。

实施例三：两台“径向单摆”回收动力发动机方案：

锥顶罩61的壳段612外侧安装两台单向摇摆（径向）回收动力发动机661，回收动力发动机661推力优选为10t，提供火箭助推、回收动力和姿控推力。其中，“径向”是相对于整体呈柱状的运载火箭而言的，其是指，请参阅图2B和图2C，发动机喷管662能够以摆转机构663为轴在图纸平面内转动，例如从图2B中朝向斜下的状态转动至图2C中朝向斜上的状态。其工作机理：（1）回收动力姿控功能：回收动力发动机661同向偏摆控制俯仰姿态，与箭体呈30°夹角的回收动力发动机661通过推力调节也可以控制俯仰姿态（姿控系统控制滚转和偏航姿态）；（2）回收动力分离功能：火箭亚轨道载荷分离过程，回收动力发动机661及其发动机喷管662摆至朝外的斜上方，回收动力发动机661启动、提供反向分离力；（3）回收动力推力功能：火箭上升过程中回收动力发动机661启动、提供正向推力，使火箭加速上升；火箭回收过程中，回收动力发动机661及其发动机喷管662摆至外下方归位，回收动力发动机661启动、提供反向推力，火箭减速下降。

实施例四：两台“双向摇摆”回收动力发动机方案：

锥顶罩61的壳段612外侧安装两台双向摇摆回收动力发动机661，回收动力发动机661推力优选为10t，提供火箭助推、回收动力和姿控推力；火箭分离力由一级箭体1底部外缘对称安装两台反推火箭提供。其中，“双向”是指既能够“周向”转动，又能够“径向转动”。其工作机理：（1）回收动力推力功能：火箭上升过程中回收动力发动机启动、提供正向推力，使火箭加速上升。火箭回收过程中，回收动力发动机661启动、提供反向推力，火箭减速下降。（2）回收动力姿控功能：回收动力发动机661同向偏摆控制俯仰和偏航姿态，异向偏摆控制滚转姿态；设置与一级箭体1呈30°夹角的回收动力发动机661，通过推力调节，利用回收动力发动机661偏摆同时或单独控制偏航姿态。

本发明的优选一实施例的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的飞行程序及状态如下，请参阅图2A至图2D：

步骤一：在运载火箭地面发射及一级箭体1上升段飞行过程中，一级动力发动机11启动工作，锥顶罩61处于合罩（关闭）状态，如图2B所示；上部周向安装的回收动力发动机661及发动机喷管662方向为向下或朝外的斜下方；回收动力装置66启动工作，多个回收动力发动机661产生的推力矢量合力朝上，和一级动力发动机11产生的推力共同推动火箭升空。

步骤二：在火箭穿越大气层到达指定分离高度，载荷30分离前，一级动力发动机11关闭。亚轨道载荷30分离过程如图2C所示，锥顶罩61打开，发动机喷管662方向调整为向上或朝外的斜上方，回收动力发动机661为启动状态（在调整发动机喷管662方向前先将回收动力发动机661关闭、调整好再开启）、回收动力装置66推力合力矢量向下，给一级箭体1提供反向推力，载荷30和“一级亚轨道运载火箭”（包括一级箭体1和锥顶罩61）分离。分离后，载荷30（例如载有卫星5的二级火箭2等）继续飞行，执行后续任务。

步骤三：载荷30分离后，锥顶罩61合罩，回收动力发动机661关闭，“一级亚轨道运载火箭”（包括一级箭体1和锥顶罩61，亦即，除载荷30外的部分）准备返回地面：回收动力发动机661及其发动机喷管662方向为向下或朝外的斜下方；“一级亚轨道运载火箭”在地球引力作用下向下、向地面回落，该过程中，一级动力发动机11和回收动力装置66均为熄火、不工作。

步骤四：“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，回收动力装置66再次启动，依靠回收动力装置66推力大小和方向不断调整，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发射回收装置8上，如图2D所示。发射回收装置8例如为钢结构制成，其上的立柱向外张开5°左右，便于火箭安全着陆并落入发射回收装置8的若干立柱中，进而保持竖直状态。

本发明的突出特点如下：

1、拉式回收：回收动力安装在火箭的上端侧面，火箭回收落地前发动机启动，其推力矢量始终在火箭重心的上方，对火箭形成拉力，易于回收过程稳定控制和精准着陆。而不是像“猎鹰-9R”等其它火箭的回收动力安装在火箭箭体的下方，对火箭形成向上的推力，回收过程火箭呈“倒立摆”，不易控制；

2、全回收复用：锥顶罩与一级箭体及其动力、结构、电气系统形成的完整的“一级亚轨道运载火箭”，整体全回收。火箭锥顶罩包覆着例如载有卫星的二级、三级或上面级等各类载荷，直接与一级箭体相连接，和一级箭体不分离、不抛罩，载荷分离后合罩，锥顶罩与一级箭体整体飞行、整体回收。含锥顶罩和一级箭体的“一级亚轨道火箭”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、三加一动力：回收动力一方面能提供拉力用于火箭的拉式回收；二方面能为火箭上升提供助推动力；三方面能通供回收动力发动机或其喷管摇摆对火箭实行俯仰、偏转、滚转等姿态控制；另外，如果需要，还可以通过火箭喷管朝向朝外的斜上方而为亚轨道载荷和火箭分离提供反推力。本方案实现了姿控、回收、助推、反推火箭动力“四合一”。当然，姿控、回收、反推火箭分开、并分别选用也可以，实施可能更便利，但成本将大大增加；

4、锥顶罩的设计：一方面能和一级箭体整体回收，实现了含一级箭体和锥顶罩的“一级亚轨道运载火箭”全回收；二方面能保护二三级或上面级火箭、避免其受气动载荷等作用，降低了二三级火箭箭体结构的设计要求，有利于降低不可回收的二三级箭体结构的成本；三可以将回收动力装置系统安装在火箭中上部，实现拉式回收。

本发明的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭的主要功能是输送亚轨道载荷，或作为二三级火箭和上面级的一级助推器。亚轨道载荷（即载荷30）可包括例如：

（1）二级液体或固体火箭（或+上面级）+卫星；

（2）三级液体或固体火箭（或+上面级）+卫星；

（3）上面级火箭+卫星；

（4）空天实验室或空间站；

（5）武器装备或无人机、机群；

（6）太空育种舱；

（7）生物制药舱；

（8）航天员或空天旅游飞船；

（9）货物运输舱；

（10）太空采矿舱等等。

图2B、图2C所示为上述第一类应用实施例：锥顶罩拉式回收二级运载火箭。该实施例中载荷30为二级火箭2（例如可采用固体火箭、液体火箭或固液混合火箭）以及装载于二级火箭2上的卫星5（发射载荷）。上述火箭一级箭体1的外径与锥顶罩61的外径统一，减少相关配套产品的规格，利于降低成本和组织生产；这样，火箭的载荷30（二级火箭2）的直径需小于锥顶罩61直径200~300mm。

其各项指标参考如下：

（1）构型：锥顶套罩拉式回收二级运载火箭

（2）载荷：低轨道载荷质量1t（亚轨道载荷10t）

（3）全长：20m；箭体及筒罩、锥顶罩壳段直径2.25m，载荷直径包络不大于2m

（4）火箭动力：液氧、煤油体系

（5）一级动力发动机：一台80t发动机

（6）二级动力发动机：一台15t发动机

（7）回收动力发动机：50%推力调节，2台5t摇摆发动机，实现姿控；可向外上方摆转，实现反推

（8）起飞重量：75t

（9）起飞推力：100t+

（10）回收复用：20次

说明：上述指标为一种典型亚轨道小运载火箭：易龙（及其应用在二级火箭）的案例指标，供参考。本方案形式或技术可用于各类小运载、中运载和大运载，载荷范围可覆盖100kg至20t。

本发明还提供一种适用于本发明的运载火箭的火箭简易发射回收装置，本发明的运载火箭可采用车载机动运输，通过本发明的火箭简易发射回收装置实现1000m²临时硬地面场坪机动发射，大大简化了火箭发射装置的设计，建设费用大幅度减少。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的运载火箭采用拉式回收，其突出优点是回收过程易于控制，确保火箭稳定回收和精准着陆；

2、拉式回收火箭，回收动力在上面，无需安装在一级箭体底部中间，特别有利于一级发动机的选配和布局，减少发动机配置数量，降低配套成本；

3、拉式回收过程中一级箭体主发动机不启动、不工作、不喷火，降低了着陆地点或回收平台的要求，有利于着陆地点的选择；有利于发射回收装置的简化设计，降低建设费用，火箭发射、回收更具安全性；

4、拉式回收火箭可通过回收动力调节、代替栅格翼功能，控制火箭的调姿、稳定，进一步节约成本。优选在两侧设置两台回收动力装置，实现助推、姿控、回收、反推动力等功能，提高利用效率，有效降低成本；

5、“一级亚轨道运载火箭”可100%整体回收，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。例如利用本发明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；

6、本发明的亚轨道运载火箭可发射亚轨道载荷，也可以推送二级或三级火箭，作为二三级火箭的助推器；

7、锥顶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；

8、锥顶罩可采用两瓣罩、三瓣罩、四瓣罩、六瓣罩、八瓣罩等方案，提供更多选择。优选采用四瓣罩方案，结构设计与实现更容易，成本较低；

9、本发明的方案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；

10、亚轨道运载火箭的发射，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；

11、本发明的亚轨道运载火箭可发射亚轨道载荷，全回收复用，可以和二三级火箭形成一种锥顶罩可回收三级运载火箭；还可以推送二级或二三级火箭（上面级），用作二三级火箭的助推器，发射低轨或高轨道载荷；也可以将飞行器或各类装备以一定的速度发射到大气层内一定的高度；将来将应用于太空旅游、太空运输和洲际运输。运载火箭发射费用的降低，为洲际运输、太空旅游、太空试验及太空产业和太空经济发展奠定基础。

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 (9)

1.一种锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，其包括一级箭体、设置于一级箭体上端的锥顶罩，以及回收动力装置；锥顶罩中容纳有载荷；

回收动力装置至少包括回收动力发动机和设置于其外侧的回收动力罩，回收动力发动机上具有发动机喷管，发动机喷管的朝向固定设置为或可调节为向下或朝外的斜下方；回收动力装置有两个，于两侧对称地设置于一级箭体上部的外侧面上或者锥顶罩的外侧面上；

锥顶罩包括瓜瓣部、壳段和载荷支座；瓜瓣部为二个或多个，壳段呈筒状，壳段的上部与各个瓜瓣部活动连接，二个或多个瓜瓣部合拢后呈锥形；壳段下部与载荷支座相连接；瓜瓣部、壳段以及载荷支座共同围成一个可开闭的用于容纳载荷的空间。

2.如权利要求1所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，回收动力发动机通过发动机支座与一级箭体或锥顶罩可转动的相连接，回收动力发动机连接有用于控制其转动的摆转机构。

3.如权利要求2所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，壳段下部与一级箭体的上端相连接，载荷支座位于壳段内；或者，载荷支座连接于壳段的下端，载荷支座与一级箭体的上端相连接。

4.如权利要求2所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，载荷支座上设有用于将载荷锁紧或释放的电控锁紧装置；瓜瓣部连接有用于控制其开闭的作动机构。

5.如权利要求2所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，相邻的瓜瓣部的对接面均设置有耐高温的密封结构，瓜瓣部闭合时密封结构相匹配且密封地相抵触。

6.如权利要求2所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，瓜瓣部为一圆锥面均分所得到的形状，相邻两瓜瓣部之间的接缝为瓜瓣部所组成的圆锥面的母线。

7.如权利要求1所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，在一级箭体或锥顶罩的外侧面对称安装有两台或多台反推火箭，反推火箭的喷火方向为向上或朝外的斜上方。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，一级箭体或锥顶罩的外侧面固定设置有横梁，回收动力装置与横梁相连接；或者，锥顶罩顶端向上延伸设置有锥顶柱，回收动力装置与锥顶柱相连接。

9.如权利要求8所述的锥顶罩拉式回收亚轨道运载火箭，其特征在于，回收动力发动机及发动机喷管为相对于运载火箭可周向摆动地设置、可径向摆动地设置或者可周向及径向双向摆动地设置，通过摆动控制火箭姿态。

Images