一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法转让专利
申请号 : CN202110357054.3
文献号 : CN113237392B
文献日 : 2022-01-18
发明人 : 贾山 , 赵建华 , 陈金宝 , 周向华 , 张胜
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
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。
说明书 :
一种可复用火箭垂直回收装置及其工作方法
技术领域
背景技术
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。
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。
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
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。
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;
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。
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。
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。
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;
四组着陆缓冲装置对整个箭体起到支撑作用;
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。
占用;
附图说明
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
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。
箭体。
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。
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。
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。
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。
碳纤维管305相对平行。
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。
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。
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。
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。
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。