CN117570787A - 液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法及一子级箭体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法及一子级箭体，其中，该回收方法包括以下步骤，S1，火箭完成一二级分离后，对一子级箭体进行减速前调姿；S2，返场水平减速；S3，再入调姿；S4，再入动力减速；S5，栅格调姿减速；经本步骤后，一子级箭体的离地高度为2‑4千米，下落速度不大于150米每秒，箭体姿态俯仰角保持90度，与指定着陆点在水平方向上的偏差不大于500米；S6，着陆减速；在此过程中，一子级箭体下落速度减小到零，飞行高度下降到零，一子级箭体落地时横向速度控制在1米每秒以内，水平位置偏差不大于2米；以平稳降落于指定着陆点。本发明能够实现液体入轨火箭的一子级返场垂直回收。
Description
技术领域
本发明涉及火箭回收技术领域，具体涉及一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法及一子级箭体。
背景技术
多级液体运载火箭为入轨火箭的一种常规构型。火箭一子级的主要作用是推动火箭离开地面，将火箭的二级运载至一定高度，加速至一定速度，并将箭体姿态调整到合适的角度。传统入轨火箭的一子级在发射点火后，会先进行垂直起飞、攻角转弯及重力转弯飞行阶段，在一子级完成飞行任务后，一子级发动机按照条件关机并执行一二级分离，分离后的一子级箭体按照自由落体运动掉落于残骸落区。由于一子级落地时速度较大，箭体受到落地撞击后变形和损毁严重，一般按照残骸处理，不再重复使用。
航天飞机在返回时使用水平着陆方式，该种方式主要靠飞行器在大气层内长时间进行无动力滑翔飞行，依靠气动阻力进行减速，当达到着陆速度和高度时，水平滑跑降落于着陆机场，该种降落方式与飞机在机场降落的方式类似。由于长时间在大气层内高速滑翔飞行，存在气动加热环境严酷，结构热防护方案复杂、成本高的缺点，同时需要新建额外的水平滑跑着陆场用于着陆，对着陆场的基础设施建设要求也较高。
现有火箭的一子级不具备回收和重复使用的能力，航天飞机的水平着陆方式存在结构方案复杂，维护使用成本高、需要建设额外着陆机场设施等缺点。
综上所述，如何实现液体入轨火箭的一子级返场垂直回收是本领域亟待解决的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法及一子级箭体，以解决现有技术中的不足，它能够实现液体入轨火箭的一子级返场垂直回收。
本发明提供了一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，包括以下步骤，
S1，火箭完成一二级分离后，对一子级箭体进行减速前调姿；
S2，返场水平减速；
S3，再入调姿；
S4，再入动力减速；
S5，栅格调姿减速；经本步骤后，一子级箭体的离地高度为2-4千米，下落速度不大于150米每秒，箭体姿态俯仰角保持90度，与指定着陆点在水平方向上的偏差不大于500米；
S6，着陆减速；在此过程中，一子级箭体下落速度减小到零，飞行高度下降到零，一子级箭体落地时横向速度控制在1米每秒以内，水平位置偏差不大于2米；以平稳降落于指定着陆点。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S1包括，一子级箭体与火箭二级分离后，在高度45到80km范围内进行返场减速前调姿；
其中，通过安装在一子级箭体头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体返场水平减速前的姿态调整动作；
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S1中，将一子级箭体的俯仰角由调姿前的40°到60°，调整至水平170°到190°范围内。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S2为在高度80到100km的自由上升阶段，一子级箭体尾部2到4台发动机同时点火，将水平速度由500到800m/s减速至0，并反向加速到不小于400米每秒，随后发动机关机并维持箭体姿态。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S3为，在高度从100km下降到70km过程中进行再入姿态调整，通过安装在头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体的姿态调整动作，使其俯仰角由调姿前的170°到190°范围内，调整至70°到90°。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S4为在高度由65km下降至45km过程中，一子级箭体尾部2到4台发动机再次点火进行减速，同时进行箭体姿态和位置的调整。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，步骤S4中，控制箭体轴向过载不大于5g，减速完成后，达到箭体飞行速度不大于700m/s，高度不大于45km，与发射场着陆点经纬度位置偏差不大于20km的偏差范围内。
如上所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其中，可选的是，经步骤S5后，一子级箭体的离地高度为2到4千米。
本发明还提出了一种一子级箭体，其中，包括一子级箭体本体、发动机、辅助姿态控制系统和栅格舵；
所述发动机设置于所述一子级箭体本体的底部，辅助姿态控制系统设置于所述一子级箭体本体的顶部；
所述辅助姿态控制系统用于在回收过程中调节一子级箭体的姿态；
所述发动机用于在回收过程中对一子级箭体沿其轴向方向进行减速或加速；
所述栅格舵用于在回收过程中对一子级箭体进行姿态调节。
如上所述的一子级箭体，其中，可选的是，所述发动机的数量不小于4台。
与现有技术相比，通过本发明所述的一子级箭体返场垂直回收方式，能在完成入轨飞行任务的同时，一子级箭体以较小的结构代价和成本，完成箭体返回发射场着陆时需要的姿态调整及减速动作，达到一子级箭体软着陆的目的，从而使回收回来的一子级箭体可以再次重复使用，同时返回至发射场并进行垂直着陆的方式，无需重新修建着陆场坪，与水平着陆相比，可降低着陆场的建设成本和规模。
附图说明
图1是本发明实施例一的步骤流程图；
图2是本发明实施例一提出的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法中回收过程的示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为了解决背景技术中提出的问题，本发明提出了以下实施例予以解决，以实现液体入轨火箭的一子级箭体返场垂直回收。
实施例一
请参照图1和图2，本实施例提出了一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，包括以下步骤，
S1，火箭完成一二级分离后，对一子级箭体进行减速前调姿；
S2，返场水平减速；
S3，再入调姿；
S4，再入动力减速；
S5，栅格调姿减速；
S6，着陆减速。
火箭完成一二级分离后，一子级箭体要完成的主要流程和动作包括返场减速前调姿、返场水平减速、再入调姿、再入动力减速、栅格调姿减速、着陆减速这几个部分。下面将详细介绍每个步骤和动作。
S1，返场减速前调姿：一子级箭体与火箭二级分离后，在高度45到80km范围内进行返场减速前调姿。通过安装在一子级箭体头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体返场水平减速前的姿态调整动作，使其俯仰角由调姿前的40°到60°，调整至水平170°到190°范围内，为随后进行的返场水平减速做好姿态准备。本步骤的主要目的在于先将一子级箭体的姿态调节到合适的位置，以及便于调节其水平位置。因此，在此过程中，将俯仰角由调姿前的40°到60°，调整至水平170°到190°范围内。即，调节完成后，一子级箭体的头部在水平方向上朝向指定的着陆点。以便于通过发动机进行加速，使其在水平方向上靠近指定的着陆点。
S2，返场水平减速：一子级箭体姿态调整至水平状态后，在高度80到100km的自由上升阶段，一子级箭体尾部2到4台发动机同时点火，将水平速度由500到800m/s减速至0，并反向加速至不小于400m/s，随后发动机关机并维持箭体姿态，做自由上升和自由落体运动。此过程中，主要控制一子级箭体沿水平方向靠近指定的着陆点，在水平方向上，一子级箭体先朝着远离指定着陆点的方向减速移动，然后再沿着朝向靠近指定着陆点的方向加速移动，并在加速到一定速度后，保持该水平速度，以使一子级箭体快速返场。在竖直方向上一子级箭体在重力和惯性作用下自由上升，并在达到最高点后，做自由落体运动。具体实施时，最高点的离地高度为100到120千米。
S3，再入调姿：一子级箭体自由落体运动时，在高度从100km下降到70km过程中进行再入姿态调整，通过安装在头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体的姿态调整动作，使其俯仰角由调姿前的170°到190°范围内，调整至70°到90°，为接下来的再入动力减速段做好姿态准备。再入调姿的作用主要在于，在一子级箭体在水平方向上到达指定着陆点一定范围内后，将一子级箭体由适合水平返场的姿态，调节成适合在竖直方向上减速的姿态。在本步骤结束时，一子级箭体在水平方向和竖直方向上均具有一定的速度。在具体实施时，调节后的俯仰角具体由水平方向上的速度、在水平方向距离指定着陆点的距离、离地高度等因素决定。
S4，再入动力减速：箭体姿态调整到位后，在高度由65km下降至45km过程中，一子级箭体尾部2到4台发动机再次点火进行减速，同时进行箭体姿态和位置的调整。在再入动力减速过程中，控制箭体轴向过载不大于5g，减速完成后，达到箭体飞行速度不大于700m/s，高度不大于45km，与发射场着陆点经纬度位置偏差不大于20km的偏差范围内。本步骤中，对水平方向的速度和竖直方向的速度同步减速。
S5，栅格调姿减速：本阶段为再入动力减速后，在高度40km到3km范围内，利用栅格舵及箭体的气动阻力进行减速，同时利用栅格舵进行箭体姿态和位置控制的阶段。在本阶段内，一子级箭体速度由不大于700m/s减速到不大于150m/s范围内，高度由40km下降到2-4km范围内，箭体姿态俯仰角90°，与发射场着陆点经纬度偏差不大于500m。在此过程中，利用栅格舵和箭体的气体阻力，对水平方向和竖起方向进行减速，并控制一子级箭体靠近指定着陆点。使用栅格舵和气动减速，能够减少发动机的使用，有利于节约推进剂用量。
S6，着陆减速：本阶段为一子级在着陆前的最后飞行阶段，在高度下降到2-4km时，一子级箭体尾部单台发动机点火，发动机双向摆动进行俯仰和偏航通道控制，冷气姿态控制系统或其他辅助控制装置进行滚转通道控制，进行一子级着陆前最后的减速及姿态和位置调整。通过尾部发动机工作进行减速及控制，一子级下降速度由不大于150m/s减速到0，飞行高度由2-4km下降到0，箭体姿态俯仰角保持90°，落地时横向速度控制在1m/s以内，位置偏差2m以内，达到一子级垂直姿态平稳降落在发射场的目的。
通过本实施例所述的一子级箭体返场垂直回收方法，能在完成入轨飞行任务的同时，一子级箭体以较小的结构代价和成本，完成箭体返回发射场着陆时需要的姿态调整及减速动作，达到一子级箭体软着陆的目的，从而使回收回来的一子级箭体可以再次重复使用，同时返回至发射场并进行垂直着陆的方式，无需重新修建着陆场坪，与水平着陆相比，可降低着陆场的建设成本和规模。
实施例二
本实施例是实施例一中所用的一子级箭体，相同之处不再赘述，以下仅对不同之处予以说明。
本实施提出了一种一子级箭体，其中，包括一子级箭体本体、发动机、辅助姿态控制系统和栅格舵；
所述发动机设置于所述一子级箭体本体的底部，所述发动机的数量不小于4台；4台所述发动机沿所述一子级箭体本体的周向均匀分布；辅助姿态控制系统设置于所述一子级箭体本体的顶部；辅助姿态控制系统为冷气姿态控制系统。所述辅助姿态控制系统用于在回收过程中调节一子级箭体的姿态；所述发动机用于在回收过程中对一子级箭体沿其轴向方向进行减速或加速；所述栅格舵用于在回收过程中对一子级箭体进行姿态调节。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，火箭完成一二级分离后，对一子级箭体进行减速前调姿；
S2，返场水平减速；
S3，再入调姿；
S4，再入动力减速；
S5，栅格调姿减速；经本步骤后，一子级箭体的离地高度为2-4千米，下落速度不大于150米每秒，箭体姿态俯仰角保持90度，与指定着陆点在水平方向上的偏差不大于500米；
S6，着陆减速；在此过程中，一子级箭体下落速度减小到零，飞行高度下降到零，一子级箭体落地时横向速度控制在1米每秒以内，水平位置偏差不大于2米；以平稳降落于指定着陆点。
2.根据权利要求1所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S1包括，一子级箭体与火箭二级分离后，在高度45到80km范围内进行返场减速前调姿；
其中，通过安装在一子级箭体头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体返场水平减速前的姿态调整动作。
3.根据权利要求2所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S1中，将一子级箭体的俯仰角由调姿前的40°到60°，调整至水平170°到190°范围内。
4.根据权利要求3所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S2为在高度80到100km的自由上升阶段，一子级箭体尾部2到4台发动机同时点火，将水平速度由500到800m/s减速至0，并反向加速到不小于400米每秒， 随后发动机关机并维持箭体姿态。
5.根据权利要求1所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S3为，在高度从100km下降到70km过程中进行再入姿态调整，通过安装在头部的冷气姿态控制系统或其他辅助姿态控制系统，完成一子级箭体的姿态调整动作，使其俯仰角由调姿前的170°到190°范围内，调整至70°到90°。
6.根据权利要求5所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S4为在高度由65km下降至45km过程中，一子级箭体尾部2到4台发动机再次点火进行减速，同时进行箭体姿态和位置的调整。
7.根据权利要求6所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：步骤S4中，控制箭体轴向过载不大于5g，减速完成后，达到箭体飞行速度不大于700m/s，高度不大于45km，与发射场着陆点经纬度位置偏差不大于20km的偏差范围内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的液体入轨火箭的一子级返场垂直回收方法，其特征在于：经步骤S5后，一子级箭体的离地高度为2到4千米。
9.一子级箭体，其特征在于，包括一子级箭体本体、发动机、辅助姿态控制系统和栅格舵；
所述发动机设置于所述一子级箭体本体的底部，辅助姿态控制系统设置于所述一子级箭体本体的顶部；
所述辅助姿态控制系统用于在回收过程中调节一子级箭体的姿态；
所述发动机用于在回收过程中对一子级箭体沿其轴向方向进行减速或加速；
所述栅格舵用于在回收过程中对一子级箭体进行姿态调节。
10.根据权利要求9所述的一子级箭体，其特征在于：所述发动机的数量不小于4台。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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