CN114476136B - 一种拉式回收火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种拉式回收火箭，其涉及航空航天技术领域，拉式回收火箭回收过程中由火箭箭体中上部或上端侧面安装的发动机提供回收动力和动力调节、对火箭箭体的质心在下端的火箭箭体提供“拉力”，实现火箭回收或控制火箭姿态；拉式回收火箭包括火箭箭体和回收动力***，火箭箭体包括圆锥状的火箭头罩，火箭头罩本体与火箭箭体的圆柱状箭身相连接；回收动力***安装在火箭箭体的中上部，回收动力***包括回收动力发动机、动力支架和回收动力罩，回收动力发动机安装在动力支架上，回收动力发动机外安装回收动力罩，动力支架安装在火箭箭体上。拉式回收火箭的回收方式，有利于火箭回收的稳定控制，更利于火箭回收。

Description

一种拉式回收火箭

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种拉式回收火箭。

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是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。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之一。

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***的研究和试验。从构型技术特点上看，可重复使用运载器可以分为水平回收重复使用运载器和垂直回收重复使用运载火箭两大类。开展垂直回收重复使用运载火箭研究的前提是开展运载火箭子级回收技术研究，例如SpaceX公司的“猎鹰-9R”火箭，采用了垂直返回的方式；俄罗斯提出的“贝加尔号”助推器也采用了带翼飞回式。其中，航天飞机是采用水平滑跑回收的水平回收方式；SpaceX公司的“猎鹰”火箭整流罩分瓣采用降落伞海上回收，降落伞海上回收是卫星、飞船降落伞回收之后新的应用。

目前，SpaceX公司的“猎鹰-9R”和蓝色起源的火箭的第一级火箭回收，均以新闻报道的方式给予表象披露，但是没有公开技术细节等内容。

基于国内外航天领域的不断发展，急需对运载火箭实现回收技术进行研究，提升回收率，降低火箭发射成本。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种拉式回收火箭。

依据本发明的技术方案，提供一种拉式回收火箭。拉式回收火箭回收过程中，由火箭箭体中上部或上端侧面安装的发动机提供回收动力和动力调节、对火箭箭体的质心在下端的火箭箭体提供“拉力”，实现火箭回收或控制火箭姿态；所述一种拉式回收火箭包括火箭箭体和回收动力***，火箭箭体包括圆锥状的火箭头罩，火箭头罩本体与火箭箭体的圆柱状箭身相连接；回收动力***安装在火箭箭体的中上部，回收动力***包括回收动力发动机、动力支架和回收动力罩，回收动力发动机安装在动力支架上，回收动力发动机外安装回收动力罩，动力支架安装在火箭箭体上；

其中，回收动力发动机提供火箭回收动力，回收动力发动机或其喷管可上下摆动，使回收动力合力矢量作用点始终在火箭质心上方；回收动力发动机可调整回收动力发动机喷管方向，通过回收动力发动机主体摇摆或回收动力发动机喷管摇摆，也可以通过调整发动机推力的大小，或者通过回收动力发动机矢量的调整，控制火箭的俯仰、偏航和滚转姿态。

优选地，回收动力发动机周向安装在火箭箭体上部、上端或中上部。

优选地，拉式回收火箭飞行过程中加速，上端侧面回收动力发动机推力矢量朝下方或侧下方提供正向推力；拉式回收火箭飞行过程中减速，上端侧面发动机推力矢量朝上方或侧上方提供反向推力。

优选地，在火箭箭体中上部安装姿控发动机来控制姿态，通过火箭箭体上端侧面的回收动力和姿控发动机联合来提供火箭的动力控制姿态。

优选地，发动机整流罩结合回收动力发动机转向或推力方向的调整，发动机整流罩降低火箭飞行中的气动阻力。

进一步，回收动力发动机的喷管方向朝向火箭箭体的外下方，此时回收动力发动机给火箭箭体提供矢量向上的推力。回收动力发动机的喷管方向朝向火箭箭体的外上方，此时回收动力发动机给火箭箭体提供矢量向下的推力。

优选地，拉式回收火箭回收落地前减速，上端两侧发动机提供正向推力。回收动力发动机周向安装在火箭箭体前端、火箭头罩侧面、头罩立柱周边或火箭箭体中上部周边；在火箭箭体的中上部安装有横梁或机构支架，回收动力发动机安装在横梁或机构支架的外端。

更优选地，火箭安装导引头，着陆点控制采用北斗导航、GPS等定位或与光电技术精准定位，精确控制着陆点，火箭精准定点落地、落入回收园槽或回收约束桩或回收平台或发射平台单元。

与现有技术相比，本发明的一种拉式回收火箭的有益效果为：1、拉式回收火箭的回收方式，有利于火箭回收的稳定控制，更利于火箭回收。火箭回收后，经过检修诊断合格后可继续重复使用，开展各类地面及飞行试验或卫星发射服务。

2、拉式回收火箭可应用于卫星发射、太空试验、洲际或太空运输、太空旅游等，应用广泛。

3、拉式回收火箭的回收方式可用于需要回收的一级火箭或亚轨道火箭，亦可应用于火箭助推器等的回收，亦可采用其它发动机、应用于其它飞行器的回收。

4、拉式回收火箭飞行过程中加速，回收动力发动机推力矢量朝下（或侧下方）提供正向推力；拉式回收火箭飞行过程中减速，回收动力发动机推力矢量朝上（或侧上方）提供反向推力。

5、拉式回收火箭回收落地前减速，回收动力发动机提供正向推力，对火箭形成拉力，使火箭减速并缓慢降落，火箭着陆支架打开、火箭着陆。或者，火箭安装导引头，着陆点控制采用斗导航、GPS等定位或与光电技术精准定位，精确控制着陆点，火箭精准定点落地、精准落入回收园槽或回收约束桩或回收平台单元、或高速公路、球场等平地上。

6、拉式回收火箭为太空运输物资的回收着陆提供更好的环境和便利，为太空旅游人员返回地面提供更好的环境、便利和安全性。

7、拉式回收火箭回收动力工作中，有利于减少下端发动机动力推力对火箭结构形成的压应力，降低弯矩形成更大的应力，有利于箭体结构的优化设计。

附图说明

图1为依据本发明的拉式回收火箭的结构示意图；

图2为图1的回收动力***的局部放大图；

图3为喷管方向朝箭体的外上方的结构示意图；

图4为将回收动力***安装在箭体尖端头罩上的示意图；

图5为将回收动力***安装在箭体尖端头罩立柱上的示意图；

图6为在箭体中上部安装有横梁的示意图；

图7为带有回收平台的拉式回收火箭的结构示意图。

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。

本发明的拉式回收火箭回收过程中，由火箭箭体1中上部或上端侧面安装的发动机提供回收动力和动力调节、对火箭箭体1的质心在下端的火箭箭体提供“拉力”，实现火箭回收或控制火箭姿态；基于本特点，本发明称之为“拉式火箭回收方式”。

本发明提供一种拉式回收火箭，其包括火箭箭体1和回收动力***2，其中火箭箭体1一般包括火箭动力、燃烧机贮箱、氧化剂贮箱、连接贮箱的箱间段和火箭头罩，主要用于卫星、飞船、空间站等太空装备的发射运输。火箭箭体1包括圆锥状的火箭头罩9，火箭头罩9本体与火箭箭体的圆柱状箭身相连接。在另外的实施例中，在火箭头罩9的尖端部设置有头罩立柱6。

如图1所示的回收动力***安装在火箭箭体1的中上部。如图2所示，回收动力***2包括回收动力发动机3、动力支架4和回收动力罩5，回收动力发动机3安装在动力支架4上，回收动力发动机3外套安装回收动力罩5，动力支架4安装在火箭箭体1上。

回收动力发动机3提供火箭回收动力，回收动力发动机3或其喷管可上下摆动，使回收动力合力矢量作用点始终在火箭质心上方。回收动力发动机3可调整回收动力发动机的喷管10的方向，通过回收动力发动机主体摇摆或回收动力发动机的喷管摇摆，也可以通过调整发动机推力的大小，或者通过回收动力发动机矢量（力的大小和方向）的调整，控制火箭的俯仰、偏航和滚转姿态。进一步地，可以另外在火箭箭体中上部安装姿控发动机来控制姿态，通过火箭箭体上端侧面的回收动力和姿控发动机联合来提供火箭的动力控制姿态。

动力支架4，用于安装固定回收动力发动机及其姿态控制机构；动力支架安装在箭体结构、头罩结构、头罩立柱或横梁上。

回收动力罩5，用于气动整流，减少空气阻力，安装在动力支架上。发动机整流罩的上端侧面外套在回收动力发动机外部，结合回收动力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可调节的气动整流罩，有助于降低火箭飞行中的气动阻力。

如图2所示，回收动力发动机3的喷管10的方向朝向火箭箭体的外下方，此时回收动力发动机3给火箭箭体提供矢量向上的推力。如图3所示，回收动力发动机3的喷管10的方向朝向火箭箭体的外上方，此时回收动力发动机3给火箭箭体提供矢量向下的推力。

进一步地，如图2所示，在火箭中上部或火箭前端周向安装两台或多台回收动力发动机3。回收动力发动机可通过舵机、电气或液压伺服杆等机构控制，使回收动力发动机或其喷管朝向火箭箭体外下方至外上方摆动，回收动力发动机喷管火焰向箭体外上方或外下方主要考虑避免回收动力发动机火焰烧蚀箭体表面。火箭飞行或回收过程中，回收动力发动机喷管向下，回收动力发动机为提供火箭提供向上的拉力；回收动力发动机的喷管10向上，发动机为提供火箭提供向下的反推力。进一步地，回收动力发动机可通过机构控制使发动机的喷管10双向摇摆，调整发动机或其喷管方向或推力的大小，控制火箭俯仰、偏航和滚转等姿态，可以安装姿控发动机***实现姿态控制。

火箭飞行过程中火箭箭体质心位置是变化的，本发明的拉式回收火箭的回收动力安装保证回收动力推力矢量作用点始终在火箭箭体质心上方，对火箭形成拉力。本发明的拉式回收火箭提供回收动力的回收动力发动机周向安装在火箭箭体上部、上端或中上部，其安装位置具体为箭体前端（图1）、火箭头罩侧面（如图4）、头罩立柱周边（图5）或火箭箭体中上部周边（图6）；如图6所示，在火箭箭体的中上部安装有横梁7或机构支架，回收动力发动机安装在横梁7或机构支架的外端。本发明的回收动力发动机安装和箭体之间控制一定的安全距离（亦可通过机构调整距离），以及回收动力发动机推力线与箭体中心线保持一定的相对角度，或同时设定安全距离和角度，避免了回收动力发动机火焰热能烧蚀箭体表面。

拉式回收火箭飞行过程中加速，上端侧面回收动力发动机推力矢量朝下（或侧下方）提供正向推力；拉式回收火箭飞行过程中减速，上端侧面发动机推力矢量朝上（或侧上方）提供反向推力；拉式回收火箭回收落地前减速，上端两侧发动机提供正向推力；火箭着陆点控制采用北斗导航或GPS等定位，火箭采用着陆支架打开方式着陆。拉式回收火箭回收落地前减速，上端两侧回收动力发动机提供正向推力；火箭安装导引头，着陆点控制采用北斗导航、GPS等定位或与光电技术精准定位，精确控制着陆点，火箭精准定点落地、落入回收园槽或回收约束桩或回收平台8或发射平台单元，如图7所示。拉式回收火箭去除了火箭着陆支架、精确定点定位落到预设好的限位园槽中（园槽直径大于箭体外径）；也可以按照火箭外径周向布置若干（如3到8）个限位立柱单元、火箭回收落位到限位立柱单元中；也可以落位到发射平台、回收平台上或发射车、回收车上；也可以落位到篮球场、高速公路、公路等平面或平台上。

需要强调的是：本发明拉式回收火箭的创新点如下：

1、在本发明的拉式回收火箭中，在火箭中上部（或火箭前段）周向安装两台（或多台）发动机提供火箭回收动力，回收动力合力矢量作用点在火箭质心上方，对火箭形成拉力作用；通过回收动力矢量（发动机或其喷管方向或推力的大小）的调整使火箭减速或控制火箭的姿态，实现火箭回收。

2、拉式回收火箭的发动机安装方案：提供回收作动力的发动机可周向安装在火箭中上部、上端。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。发动机安装，和箭体之间需要控制一定的安全距离（亦可通过机构调整距离），或发动机推力线与箭体中心线保持一定的相对角度，或同时设定安全距离和角度，避免发动机火焰热能烧蚀箭体表面。

3、拉式回收火箭的回收动力方案：本方案回收采用的火箭动力主要采用双组元或单组元液体推进剂，也可以采用固体或固液混合推进剂（也可以采用涡喷、涡扇、转子等航空发动机提供回收动力）。动力合力矢量朝后（或侧后方），提供火箭推力为使火箭加速；调整发动机或喷管，作动力矢量朝前（或侧前方），提供火箭制动力，使火箭减速。

4、拉式回收火箭的姿态控制方案：可通过调整发动机喷管方向（发动机摇摆或喷管摇摆）调整发动机作动力合力矢量（力的大小和方向）控制火箭的俯仰、偏航和滚转姿态。也可以安装姿控发动机控制姿态，或上端侧面的发动机和姿控发动机联合提供动力控制姿态。

5、拉式回收火箭的发动机整流罩方案：上端侧面的回收动力发动机外部，结合回收动力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可调节的气动整流罩，有助于降低火箭飞行中的气动阻力。

本发明拉式回收火箭更容易精准控制火箭落地前的位置和姿态，火箭可精准落位，更有利于火箭回收过程中稳定控制。拉式回收火箭可以减小火箭回收着陆支架尺寸，可以去除火箭箭体的珊格翼装置，而减轻结构重量、降低成本。

拉式回收火箭回收过程火箭下方主动力关机、不喷火，火箭回收环境与工况将得到彻底改善，且能精准定位、落地，更容易安全可靠回收。

拉式回收火箭回收动力不在箭体下端中间，不占用箭体下端中间空间，有利于火箭动力发动机布局，火箭动力可采用一台、两台发动机，也可按照中心对称原则环向布局多台发动机。对小型运载火箭（例如起飞推力100吨左右的小火箭），火箭动力可采用一台发动机实现，而不需要像安装9台发动机的猎鹰及其它火箭，火箭动力必须在底部中间安装一台回收动力发动机，再周向对称安装6台、8台或多台发动机。设计、安装简洁、且降低成本。

此外，拉式回收火箭可用回收动力调姿、并实现稳定控制，代替珊格翼，降低成本。拉式回收火箭可经过检修诊断合格后复用，有利于进一步降低发射成本。

本发明拉式回收火箭中所使用的术语具体含义如下：

1、拉式火箭回收方式：火箭回收由上端侧面安装的发动机提供作动力调节、对质心在下端的火箭提供拉力，实现火箭回收或控制火箭姿态，称之为拉式火箭回收方式。

2、推式火箭回收方式：猎鹰等火箭的回收方式：火箭回收作动力主要由一级（或助推器）九台（或多台）主发动机中的中心一台发动机提供推力，通过调整推力矢量的大小和方向控制火箭姿态、实现火箭回收。这里可称之为推式火箭回收方式。

3、拉式回收运载火箭：采用拉式火箭回收方式的运载火箭，称为拉式回收运载火箭。

4、拉式回收重复使用运载火箭：采用拉式火箭回收方式、并重复使用的运载火箭，称为拉式回收重复使用运载火箭。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (7)

1.一种拉式回收火箭，其特征在于，拉式回收火箭回收过程中，由火箭箭体中上部安装的发动机提供回收动力和动力调节、对火箭箭体的质心在下端的火箭箭体提供“拉力”，实现火箭回收或控制火箭姿态；

拉式回收火箭包括火箭箭体和回收动力***，火箭箭体包括圆锥状的火箭头罩，火箭头罩本体与火箭箭体的圆柱状箭身相连接；回收动力***安装在火箭箭体的中上部，回收动力***包括回收动力发动机、动力支架和回收动力罩，回收动力发动机安装在动力支架上，回收动力发动机外安装回收动力罩，动力支架安装在火箭箭体上；

回收动力发动机提供火箭回收动力，使回收动力合力矢量作用点始终在火箭质心上方；回收动力发动机调整回收动力发动机喷管方向，通过回收动力发动机主体摇摆或回收动力发动机喷管摇摆，或者通过调整发动机推力的大小，或者通过回收动力发动机矢量的调整，控制火箭的俯仰、偏航和滚转姿态；

多台回收动力发动机周向安装在火箭箭体中上部，在火箭箭体中上部安装姿控发动机来控制姿态，通过火箭箭体中上部的回收动力发动机和姿控发动机联合来提供火箭的动力控制姿态；发动机整流罩的上端侧面外套在回收动力发动机外部，发动机整流罩结合回收动力发动机转向或推力方向的调整，发动机整流罩降低火箭飞行中的气动阻力；

回收动力发动机通过舵机、电气或液压伺服杆机构控制，使回收动力发动机或其喷管朝向火箭箭体外下方至外上方摆动；在火箭箭体的中上部安装有横梁或机构支架。

2.如权利要求1所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，拉式回收火箭飞行过程中加速，中上部的回收动力发动机推力矢量朝下方或侧下方提供正向推力；拉式回收火箭飞行过程中减速，中上部的回收动力发动机推力矢量朝上方或侧上方提供反向推力。

3.如权利要求2所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，火箭外径周向布置若干个限位立柱单元、火箭回收落位到限位立柱单元中。

4.如权利要求3所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，回收动力发动机的喷管方向朝向火箭箭体的外下方，此时回收动力发动机给火箭箭体提供矢量向上的推力。

5.如权利要求2所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，回收动力发动机的喷管方向朝向火箭箭体的外上方，此时回收动力发动机给火箭箭体提供矢量向下的推力。

6.如权利要求2所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，拉式回收火箭回收落地前减速，回收动力发动机提供正向推力。

7.如权利要求1所述的一种拉式回收火箭，其特征在于，火箭安装导引头，着陆点控制采用北斗导航、GPS定位或与光电技术精准定位，精确控制着陆点，火箭精准定点落地、落入回收园槽或回收约束桩或回收平台或发射平台单元。

Images