一种用于火箭一子级落区控制的修正系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于火箭一子级落区控制的修正系统及方法，系统包括阻力修正装置和控制装置，阻力修正装置设置于火箭一子级头部，包括沿火箭一子级自身周向排列的多个阻力片，阻力片远离火箭一子级头部的一端为固定端，沿着固定端到自由端方向与火箭一子级本体轴线之间形成夹角θ，阻力修正装置通过调整θ产生法向控制力和增阻，使得箭体姿态达到自稳定；控制装置设置于火箭一子级本体内用于控制阻力修正装置所安装阻力片与火箭一子级本体轴线之间的夹角θ。实时信息采集系统采集所述火箭一子级的实时飞行参数，并发送至控制装置，控制火箭一子级飞行至预定高度后张开阻力修正装置。本发明专利技术具有精度高、稳定性强、成本低、系统简单的优点。系统简单的优点。系统简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于火箭一子级落区控制的修正系统及方法


[0001]本专利技术涉及火箭回收
，特别是一种用于火箭一子级落区控制的修正系统及方法。

技术介绍

[0002]目前火箭等航天飞行器大都是一次性使用，成本居高不下，发射周期长，实现飞行器回收是解决成本高、周期长的必然途径。目前实现飞行器回收主要有以下几种方式：
[0003]一种是采用群伞回收的方式，例如专利1(一种用于飞行器回收的降落伞系统、降落回收方法，CN201910913118.6)和专利2(一种用于一级箭体回收的伞降式回收系统及液体火箭，CN202010142356.4)提出的方法就是此类方式，通过将群伞安装于助推器头部，以尾部朝下的垂直姿态溅落水上。这种方法在美国哥伦比亚号航天飞机固体助推器的回收上被成功利用，但是伞降式回收着陆精度较差，受风场影响因素较大，稳定性弱，很难实现小区域定点着陆。
[0004]另一种是采用舵机+发动机的落区控制方案，例如专利3(一种电动火箭发动机系统，CN201922094994.9)和专利4(一种可重复使用运载火箭芯一级箭体回收动力系统，CN201920051799.5)提出的此类落区控制方法，在靠近地面时箭体底部发动机多次点火，通过火箭动力实现转向调姿、改变推力，从而实现降落与定点着陆，经过清理、维修与测试后即可重复使用。此种重复使用模式是火箭动力多次启动+垂直着陆，这种方法需要运载火箭一子级在分离时，保留一定量的推进剂，用以返回地面过程中发动机点火减速，从而造成了运载火箭动力和运载能力的损失，对于垂直返回原场地，动力损失幅度达到40％以上，对于不返回原场地，动力损失幅度也能达到20％以上。这种方法依赖于发动机技术的发展，技术难度大，成本高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种精度高、稳定性强、成本低、系统简单的用于火箭一子级落区控制的修正系统及方法。
[0006]实现本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种用于火箭一子级落区控制的修正系统，包括阻力修正装置和控制装置，其中：
[0007]所述阻力修正装置，设置于火箭一子级头部，并且距离级间段前端面的距离b为0.7～1米；阻力修正装置包括多个阻力片，这些阻力片沿火箭一子级自身周向排列，阻力片远离火箭一子级头部的一端为固定端、另一端为自由端，阻力片沿着固定端到自由端方向与火箭一子级本体轴线之间形成夹角θ，0≤θ≤45
°
，阻力修正装置通过调整夹角θ产生法向控制力和增阻，使得箭体姿态达到自稳定；
[0008]所述控制装置，设置于火箭一子级本体内，并且与所述的阻力修正装置电连接，用于控制阻力修正装置所安装阻力片与火箭一子级本体轴线之间的夹角θ。
[0009]进一步地，所述阻力修正装置包括舱体、阻力片、推力圆盘、直线轴承、丝杆螺母
刷、支撑柱、丝杆、轴承、第一支撑圆盘、第二支撑圆盘、电机法兰、伺服电机、联轴器、阻力片销轴；
[0010]舱体采用圆筒型铝合金制成，用于安装阻力片；阻力片采用圆弧状铝合金制成，通过阻力片销轴与舱体连接，阻力片可绕阻力片销轴旋转，用于提供飞行阻力；推力圆盘采用盘状铝合金制成，通过直线轴承、丝杆螺母刷、支撑柱与丝杆相连，推力圆盘在直线轴承的带动下沿丝杆上下运动，推动阻力片绕阻力片销轴旋转，实现阻力片展开与收拢；第一支撑圆盘采用盘状铝合金制成，通过丝杆螺母刷固定丝杆；第二支撑圆盘采用盘状铝合金制成，通过电机法兰、轴承将伺服电机进行固定；联轴器将伺服电机和丝杆相连，伺服电机旋转运动通过丝杆转换为推力圆盘的直线运动。
[0011]进一步地，所述阻力修正装置的阻力片采用双层八片式，每一层设有八片顺次连接的阻力片，在舱体四周各开出一90
°
T型限位槽，防止阻力片展开时超出限位孔位置；阻力片与阻力片相互连接，自由度被完全约束，机构得以锁定；所述限位孔的数量为2个，第一限位孔用于合拢时避免阻力片弹开，第二限位孔用于展开到最大位置时避免由于气动干扰使得阻力片合拢或收缩；
[0012]控制信号触发后，第一限位孔的阻力片销轴拔出，阻力片在运载火箭一子级控制驱动指令作用下开始动作并带动所有阻力片协同展开，当机构工作到最大展开位置时，位于箭体上第二限位孔的阻力片销轴弹出，锁定阻力片，同时各阻力片展开到所需位置，机构锁定，动作结束。
[0013]进一步地，当火箭一子级飞行至指定高度后，伺服电机与丝杆传动使推力圆盘在垂直方向以设定速度运动，带动阻力片销轴在推力圆盘预留槽中水平运动，阻力片展开；当阻力片展开至最大角度时，阻力片销轴脱离推力圆盘预留槽，阻力片完成展开。
[0014]进一步地，火箭一子级本体直径d为3
‑
4米，阻力修正装置距离级间段前端面的距离b为0.7～1米，阻力片展开角度即夹角θ为45
°
时，阻力片自由端所形成的圆周直径a，取值范围为5
‑
6米。
[0015]进一步地，所述火箭一子级还安装有实时信息采集系统，采用GPS元件，安装于火箭质心位置，用于采集所述火箭一子级的实时飞行参数，包括高度信息；
[0016]所述控制装置，与所述实时信息采集系统连接，用于处理实时飞行参数，判断火箭是否飞行至预定高度，并控制所述火箭一子级飞行至预定高度后张开阻力修正装置。
[0017]一种用于火箭一子级落区控制的修正方法，基于所述的用于火箭一子级落区控制的修正系统，步骤如下：
[0018]步骤1、在火箭一子级头部且距离级间段前端面b米处设置阻力修正装置，火箭一子级本体内设置控制装置、实时信息采集系统；
[0019]步骤2、实时信息采集系统采用GPS元件，安装于火箭质心位置，采集所述火箭一子级的实时飞行参数，包括高度信息，并发送至控制装置；
[0020]步骤3、控制装置处理实时飞行参数，判断火箭的飞行高度，并控制火箭一子级飞行至预定高度后张开阻力修正装置。
[0021]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)在原运载火箭一子级上加装简易阻力修正装置与控制装置，包括舱体、阻力修正、轴承、电机、销轴，改装简单易行且能够精确控制子级落点，实现了系统简单、成本优化的目标，提高了落区控制的效益；(2)极大缩小了运
载火箭一子级残骸落点范围，具备一子级残骸高可靠、低成本落点控制的能力，同时为运载火箭主动飞行段提供更多的落区选择，并推动落区控制的工程应用以及未来重复使用运载器精确返回关键技术工程应用推动。
附图说明
[0022]图1是带阻力修正装置的一子级返回段气动外形示意图。
[0023]图2是阻力修正装置外形尺寸定义示意图。
[0024]图3是阻力修正装置展开流程图。
[0025]图4是带阻力修正装置的结构示意图，其中(a)是剖视图，(b)是立体图。
[0026]图5是不同展开角度的阻力修正装置方案气动外形示意图。
[0027]图6是阻力修正装置不同展开角度下一子级返回段与阻力修正装置展开前压心系数对比图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于火箭一子级落区控制的修正系统，其特征在于，包括阻力修正装置和控制装置，其中：所述阻力修正装置，设置于火箭一子级头部，并且距离级间段前端面的距离b为0.7～1米；阻力修正装置包括多个阻力片，这些阻力片沿火箭一子级自身周向排列，阻力片远离火箭一子级头部的一端为固定端、另一端为自由端，阻力片沿着固定端到自由端方向与火箭一子级本体轴线之间形成夹角θ，0≤θ≤45
°
，阻力修正装置通过调整夹角θ产生法向控制力和增阻，使得箭体姿态达到自稳定；所述控制装置，设置于火箭一子级本体内，并且与所述的阻力修正装置电连接，用于控制阻力修正装置所安装阻力片与火箭一子级本体轴线之间的夹角θ。2.根据权利要求1所述的用于火箭一子级落区控制的修正系统，其特征在于，所述阻力修正装置包括舱体(1)、阻力片(2)、推力圆盘(3)、直线轴承(4)、丝杆螺母刷(5)、支撑柱(6)、丝杆(7)、轴承(8)、第一支撑圆盘(9)、第二支撑圆盘(10)、电机法兰(11)、伺服电机(12)、联轴器(13)、阻力片销轴(14)；舱体(1)采用圆筒型铝合金制成，用于安装阻力片(2)；阻力片(2)采用圆弧状铝合金制成，通过阻力片销轴(14)与舱体(1)连接，阻力片(2)可绕阻力片销轴(14)旋转，用于提供飞行阻力；推力圆盘(3)采用盘状铝合金制成，通过直线轴承(4)、丝杆螺母刷(5)、支撑柱(6)与丝杆(7)相连，推力圆盘(3)在直线轴承(4)的带动下沿丝杆(7)上下运动，推动阻力片(2)绕阻力片销轴(14)旋转，实现阻力片(2)展开与收拢；第一支撑圆盘(9)采用盘状铝合金制成，通过丝杆螺母刷(5)固定丝杆(7)；第二支撑圆盘(10)采用盘状铝合金制成，通过电机法兰(11)、轴承(8)将伺服电机(12)进行固定；联轴器(13)将伺服电机(12)和丝杆(7)相连，伺服电机(12)旋转运动通过丝杆(7)转换为推力圆盘(3)的直线运动。3.根据权利要求2所述的用于火箭一子级落区控制的修正系统，其特征在于，所述阻力修正装置的阻力片(2)采用双层八片式，每一层设有八片顺次连接的阻力片，在舱体四周各开出一90
°
T型限位槽，防止阻力片展开时超出限位孔位置；阻力片与阻力片相互连接，自由度...

【专利技术属性】
技术研发人员：白宏阳，吕鑫波，陈雪巍，孙瑞胜，钱龙军，胡珂，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：