一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，包括助推级飞行器以及轨道级飞行器，助推级飞行器的上表面设置有安装轨道级飞行器的导向平面，导向平面沿助推级飞行的长度方向，且导向平面和轨道级飞行器的下表面无缝贴合。本发明专利技术针对两级入轨水平分离方式构建助推级乘波基体和轨道级乘波体，并助推级乘波基体添加可变形机翼以及垂直尾翼方向舵的气动布局，使两级入轨飞行器的气动组合结构具备良好宽速域气动性能和稳定性能，有效降低级间分离技术风险，可以作为可重复使用的航空航天领域的运输往返飞行器方案。复使用的航空航天领域的运输往返飞行器方案。复使用的航空航天领域的运输往返飞行器方案。

【技术实现步骤摘要】
一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器


[0001]本专利技术涉及航空航天
，具体涉及一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器。

技术介绍

[0002]自从上世纪80年代，美国提出永久建设空间站计划，世界各国每年往空间站运输人员、物资以及器械的需求次数高达上千次，依靠传统的一次性运载火箭、神州飞船或者航天飞机将会耗费数百亿美元。如此高昂的航天发射成本使得世界各国开始大力研制可重复使用天地运输往返系统，包括90年代德国的Sanger两级入轨飞行器、美国的部分可重复使用的空天轨道机动飞行器X
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37b、波音两级入轨方案以及NASA的TSTO Reference Vehicle等。可重复使用天地运输往返系统包括单级入轨、两级入轨和多级入轨。一般来说单级入轨可以最大的降低发射成本，但是对发动机动力推进系统要求非常高，现阶段的推进系统难以达到要求，技术风险很高；多级入轨飞行器增加了级间分离的次数、提高了技术风险性；而两级入轨飞行器对推进系统要求低一些，而且经济性好、效率高、可靠性高，可达到完全可重复使用，是目前最为现实的可重复使用天地运输往返系统，成为目前世界大国争先研制的大型工程项目。对于目前的推进系统的发展，火箭动力的可重复使用已经趋于现实，而且宽速域吸气式发动机已经取得重大突破，所以以吸气式组合动力的助推级和火箭动力的轨道级组成的水平起降两级入轨飞行器有望在近二三十年内取得重大进展。
[0003]两级入轨飞行器需要经历从亚声速到高超声速的宽速域飞行，所以需要助推级飞行器在有限推重比条件下具备宽速域优良升阻比气动性能，使得两级入轨飞行器可以快速爬升加速到级间分离点，而且还需要助推级具备宽速域助的稳定性操纵匹配。对于轨道级来说，级间分离之后需要其在火箭动力推动下快速爬升进入目标轨道，因此需要具有大容量，在载人、载物的同时携带足够的燃料。最重要的是常规的级间分离方式——垂直分离，会在高超声速级间分离过程中产生复杂的气动干扰，在两级表面产生高压、高热流区域，非定常气动载荷影响分离过程中的飞行稳定性。针对这些重大技术挑战和问题，本专利技术提出一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，以由宽速域自适应变形翼可重复使用助推级飞行器以及三角后掠翼空天飞机轨道级组成，有效解决
技术介绍
中提出的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术具体提供下述技术方案：一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，包括助推级飞行器以及轨道级飞行器，所述助推级飞行器的上表面设置有安装所述轨道级飞行器的导向平面，所述导向平面沿所述助推级飞行器的长度方向，且所述导向平面和所述轨道级飞行器的下
表面无缝贴合；所述助推级飞行器包括助推级乘波基体以及设置在所述助推级乘波基体两侧可变形机翼，所述可变形机翼靠近所述助推级乘波基体的后端面的表面设置有助推级副翼和助推级襟翼，所述助推级乘波基体上镜像对称安装有两个助推级垂直尾翼，所述助推级垂直尾翼上设置有助推级尾翼方向舵；所述轨道级飞行器包括轨道级乘波体以及设置在所述轨道级乘波体前端的整流罩，所述轨道级乘波体的两侧设置有三角后掠翼，所述三角后掠翼的底部表面与所述导向平面无缝贴合，所述三角后掠翼靠近所述轨道级乘波体的后端面的表面设置有轨道级副翼和轨道级襟翼，所述轨道级乘波体顶部中间设置有轨道级垂直尾翼，所述轨道级垂直尾翼沿所述轨道级乘波体的长度方向延伸，且所述轨道级垂直尾翼靠近所述轨道级乘波体的后端面的端部设置有轨道级尾翼方向舵。
[0006]作为本专利技术的一种优选方案，所述可变形机翼从所述助推级乘波基体两侧的前缘曲线的中点向所述助推级乘波基体的后端面延伸且沿所述助推级乘波基体的宽度方向扩展，直至所述可变形机翼的端部与所述助推级乘波基体的后端面保持一致；所述可变形机翼的外侧边缘与所述助推级乘波基体的两侧的前缘曲线保持光滑相切。
[0007]作为本专利技术的一种优选方案，所述可变形机翼包括固定翼段和连接在所述固定翼段上的变形翼段，所述固定翼段远离所述变形翼段的侧边通过连接杆转动连接在所述助推级乘波基体的侧边，所述助推级乘波基体内设置有驱动所述固定翼段绕所述连接杆转动的第二舵机；所述变形翼段包括中空蒙皮翼体以及安装在所述中空蒙皮翼体内部的翼肋板组，且所述翼肋板组包括沿所述中空蒙皮翼体宽度方向等间距分布的多个翼肋，且多个所述翼肋的长度与所述中空蒙皮翼体的长度相配合；每个所述翼肋至少连接有一个伸缩连接杆，且所述伸缩连接杆沿所述中空蒙皮翼体的宽度方向延伸至所述固定翼段，所述固定翼段中设置有连接所述伸缩连接杆的第一舵机，且所述第一舵机控制所述伸缩连接杆在所述中空蒙皮翼体的宽度方向变化，进而控制相邻两个所述翼肋之间的距离。
[0008]作为本专利技术的一种优选方案，所述中空蒙皮翼体表面包覆有气动力传感层，所述气动力传感层从内至外依次包括碳纤维层和玻璃纤维层，在所述碳纤维层和玻璃纤维层之间分布有压力传感器网络层。
[0009]作为本专利技术的一种优选方案，所述助推级乘波基体内还安装有变形翼控制模块，气动力测算模块，机翼掠角控制模块以及机翼反角控制模块；所述气动力测算模块用于通过所述压力传感器网络层采集获得所述可变形机翼在飞行过程中受到的气动力数据；所述变形翼控制模块接收所述气动力测算模块气动力数据向所述机翼掠角控制模块以及机翼反角控制模块发送控制指令；所述机翼反角控制模块通过控制指令控制所述第二舵机驱动所述连接杆转动，改变助推级飞行器的上、下反角角度；所述机翼掠角控制模块通过控制指令控制所述第一舵机驱动所述伸缩连接杆的
长度变化，改变所述变形翼段的翼展宽度；其中，所述机翼掠角控制模块用于在所述机翼反角控制模块完成助推级飞行器的上、下反角角度后向所述气动力测算模块发送气动力测算信号，所述机翼掠角控制模块改变所述变形翼段的翼展宽度，改变助推级飞行器的掠角角度。
[0010]作为本专利技术的一种优选方案，所述助推级乘波基体的下表面由所述助推级乘波基体的前缘曲线通过流线追踪得到的乘波流面和从所述助推级乘波基体的后端面向所述助推级乘波基体的头部进行水平切削形成的水平切削面构成。
[0011]作为本专利技术的一种优选方案，所述助推级乘波基体的基准线线型具体包括水平线段以及光滑相切的连接在所述的水平线段两端的第一抛物线段，且位于所述的水平线段的两端的第一抛物线段呈镜像对称，所述第一抛物线段远离所述的水平线段的端部光滑相切的连接有第二抛物线段，且位于所述的水平线段的两侧的第二抛物线段呈镜像对称；其中，所述导向平面由所述水平线段在超声速绕圆锥基准流场模型中产生的自由流面形成。
[0012]作为本专利技术的一种优选方案，所述助推级垂直尾翼垂直于由所述第一抛物线段形成的所述助推级乘波基体的上表面，且所述助推级垂直尾翼与所述第一抛物线段在超声速绕圆锥基准流场模型的投影方向保持一致，所述助推级垂直尾翼的一端与所述助推级乘波基体的后端面保持一致。
[0013本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，其特征在于，包括助推级飞行器以及轨道级飞行器，所述助推级飞行器的上表面设置有安装所述轨道级飞行器的导向平面（10），所述导向平面（10）沿所述助推级飞行器的长度方向，且所述导向平面（10）和所述轨道级飞行器的下表面无缝贴合；所述助推级飞行器包括助推级乘波基体（1）以及设置在所述助推级乘波基体（1）两侧可变形机翼（2），所述可变形机翼（2）靠近所述助推级乘波基体（1）的后端面的表面设置有助推级副翼（3）和助推级襟翼（4），所述助推级乘波基体（1）上镜像对称安装有两个助推级垂直尾翼（5），所述助推级垂直尾翼（5）上设置有助推级尾翼方向舵（6）；所述轨道级飞行器包括轨道级乘波体（7）以及设置在所述轨道级乘波体（7）前端的整流罩（8），所述轨道级乘波体（7）的两侧设置有三角后掠翼（9），所述三角后掠翼（9）的底部表面与所述导向平面（10）无缝贴合，所述三角后掠翼（9）靠近所述轨道级乘波体（7）的后端面的表面设置有轨道级副翼（11）和轨道级襟翼（12），所述轨道级乘波体（7）顶部中间设置有轨道级垂直尾翼（13），所述轨道级垂直尾翼（13）沿所述轨道级乘波体（7）的长度方向延伸，且所述轨道级垂直尾翼（13）靠近所述轨道级乘波体（7）的后端面的端部设置有轨道级尾翼方向舵（14）。2.根据权利要求1所述的一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，其特征在于，所述可变形机翼（2）从所述助推级乘波基体（1）两侧的前缘曲线的中点向所述助推级乘波基体（1）的后端面延伸且沿所述助推级乘波基体（1）的宽度方向扩展，直至所述可变形机翼（2）的端部与所述助推级乘波基体（1）的后端面保持一致；所述可变形机翼（2）的外侧边缘与所述助推级乘波基体（1）的两侧的前缘曲线保持光滑相切。3.根据权利要求2所述的一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，其特征在于，所述可变形机翼（2）包括固定翼段（201）和连接在所述固定翼段（201）上的变形翼段（202），所述固定翼段（201）远离所述变形翼段（202）的侧边通过连接杆（203）转动连接在所述助推级乘波基体（1）的侧边，所述助推级乘波基体（1）内设置有驱动所述固定翼段（201）绕所述连接杆（203）转动的第二舵机（204）；所述变形翼段（202）包括中空蒙皮翼体（2021）以及安装在所述中空蒙皮翼体（2021）内部的翼肋板组（2022），且所述翼肋板组（2022）包括沿所述中空蒙皮翼体（2021）宽度方向等间距分布的多个翼肋，且多个所述翼肋的长度与所述中空蒙皮翼体（2021）的长度相配合；每个所述翼肋至少连接有一个伸缩连接杆（205），且所述伸缩连接杆（205）沿所述中空蒙皮翼体（2021）的宽度方向延伸至所述固定翼段（201），所述固定翼段（201）中设置有连接所述伸缩连接杆（205）的第一舵机（206），且所述第一舵机（206）控制所述伸缩连接杆（205）在所述中空蒙皮翼体（2021）的宽度方向变化，进而控制相邻两个所述翼肋之间的距离。4.根据权利要求3所述的一种具有气动组合结构并联可重复使用的两级入轨飞行器，其特征在于，所述中空蒙皮翼体（2021）表面包覆有气动力传感层，所述气动力传感层从内至外依次包括碳纤维层...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪运鹏，王粤，姜宗林，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：