CN209857776U - 运载火箭及用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种运载火箭及用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，该组合装置设置在分离子级上，包括：气瓶；设置在气瓶供气管路上的分离冲量单元，分离冲量单元包括气缸，气缸上的设置有气动推杆，气动推杆能将作用力传递至上一级箭体的传力支座；设置在气瓶供气管路上的姿控单元，姿控单元包括多个喷管；控制气瓶与分离冲量单元是否连通的第一电气开关；控制所述气瓶与姿控单元是否连通的第二电气开关。本实用新型所述的装置原理简单，结构新颖，通用化强，具备功能扩展性，工作可靠，且产品成本低，在运载火箭上具有广泛的工程应用前景。

Description

运载火箭及用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置

技术领域

本实用新型属于火箭运载器领域，涉及一种运载器功能装置，特别是涉及箭体分离所需的分离冲量提供装置以及分离后该分离子级在回收过程中进行姿态控制装置。

背景技术

随着技术的不断进步，运载火箭正在从一次性使用方式向多次复用方式演变。对于多级运载火箭而言，子级推进剂耗尽后与上面级分离，若分离后的子级能安全返回地面并且经轻微修整即可重新使用，则此为运载火箭多次复用的有效方式。

为避免运载火箭分离动作对分离子级的不良影响，子级回收复用的运载火箭均应选择冷分离方式。目前，国内运载火箭冷分离使用固体小火箭作为子级分离冲量装置，但未考虑分离子级的回收和复用。子级分离过程中，固体小火箭点火工作产生的羽流会严重冲刷分离子级箭体，严重影响分离子级箭体回收后的重复使用。另外，固体小火箭属于火工品，本身存在性能不可检测的缺点，只能通过同批次增加火工品生产数量，再抽取充足数量的产品进行地面点火试验的方法，旁证参与飞行试验的固体小火箭的工作性能。此类消耗性试验成本极高昂，且依然无法实现对飞行试验中实际使用的固体小火箭的工作性能的直接检测。而且火工品均由专业厂家生产，降成本难度很大。目前，国内尚未有回收子级箭体的姿态控制方面的装置。

因此，如何提供一种能够避免固体小火箭工作产生的羽流对箭体造成的不良影响，且有利于分离子级回收以及分离子级回收过程中的箭体姿态稳定的姿控装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决至少部分上述技术问题，本实用新型提供一种用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，该组合装置设置在分离子级上，该组合装置包括：气瓶；设置在所述气瓶供气管路上的分离冲量单元，所述分离冲量单元包括气缸，所述气缸上的设置有气动推杆，所述气动推杆将作用力传递至上一级箭体的传力支座；设置在所述气瓶供气管路上的姿控单元，所述姿控单元包括多个喷管；控制所述气瓶与所述分离冲量单元是否连通的第一电气开关；以及，控制所述气瓶与所述姿控单元是否连通的第二电气开关。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述气瓶为6个～10个。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述供气管路包括充气主管路、向所述气缸输送气体的气缸前置管路、喷管输出气源稳压器前管路和喷管输出开关前管路；其中，所述充气主管路上设置有向所述气瓶充放气的气瓶充放气口、控制所述气瓶充放气口开关的机械式充气开关、监测所述气瓶输出气体压力的气瓶压力监测表和设置在所述气瓶压力监测表上的气瓶压力监测信号电缆；所述喷管输出气源稳压器前管路上设置有所述第二电气开关、设置在所述第二电气开关上的姿控***输出开关控制信号电缆和输出气源稳压器；所述喷管输出开关前管路上设置有喷管输出电控开关。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述气缸上设置有气缸排气腔压力监测表、设置在所述气缸排气腔压力监测表上的气缸排气腔压力监测信号电缆、气缸充气腔压力监测表和设置在所述气缸充气腔压力监测表上的气缸充气腔压力监测信号电缆。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述气瓶压力监测表与所述充气主管路螺纹密封连接；所述输出气源稳压器与所述喷管输出气源稳压器前管路螺纹连接；所述气缸排气腔压力监测表与所述气缸螺纹连接；所述气缸充气腔压力监测表与所述气缸螺纹连接。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置还包括气缸支架。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述喷管为拉法尔喷管。

在某些实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，所述喷管为8个～10个。

本实用新型另一方面还提供一种运载火箭，包括上述的组合装置，其中，运载火箭包括主火箭及通过捆绑连杆捆绑于主火箭外侧的助推火箭，所述组合装置设置在待回收的助推火箭上，且所述气缸设置在所述捆绑连杆的内部，所述气缸的轴线方向垂直于运载火箭的轴线。

本实用新型另一方面提供一种使用上述组合装置的运载火箭。

本实用新型实施例的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置至少具有如下之一的有益效果：

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，使用气动推杆为运载火箭的级间冷分离提供分离冲量，并在分离动作完成后，将此装置内的气体作为能源，为分离子级的回收过程提供姿态控制力。该装置有效避免分离过程中固体小火箭工作产生的羽流对箭体的不良影响，分离过程冲击较小，对上面级箭体和分离子级的姿态及箭体结构造成的影响较小，有利于分离子级的重复使用。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置在完成子级分离动作后，其气缸中的气源可以通过喷管的有序喷射对箭体进行调姿，有利于分离子级回收过程中的箭体姿态稳定，实现资源的重复利用。该装置同时实现了分离冲量***与回收子级***的能源共享，有利于简化分离子级的结构，提高飞行可靠性，提高运载能力。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置实时测量气缸的充气腔和放气腔的压力变化，从而检测气缸的工作状态，工作可靠。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置直接检查产品的工作性能，具有性能可检测性，避免了火工品工作性能无法检测的先天缺陷，提高了分离安全性，并消除了为验证参与飞行试验的固体小火箭的工作性能而用于旁证的消耗性地面点火试验，可有效降低产品成本。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置原理简单，结构新颖，通用化强，具备功能扩展性。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置具备通用性，可以经过改装作为助推器横向分离的能源装置并可为助推器回收提供姿态控制力。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中，该装置工作可靠，且产品成本低，在运载火箭上具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置的结构原理图，

图2是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中气瓶、气动推杆及喷管在级间结构中的分布示意图，

图3是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中的单气缸状态气瓶安装于分离子级前底的结构示意图，

图4是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中的单气缸状态气瓶安装于级间段的结构示意图，

图5是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中的多气缸状态气瓶及气动推杆在级间结构中的布置示意图，

图6是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中的多气缸状态气瓶及气动推杆在级间结构中的分布示意图，

图7是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置中的喷管分布示意图，

图8是实用新型其中一个实施例所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置的工作流程图。

附图说明：

1代表气瓶充放气口，2代表机械式充气开关，3代表气瓶，4代表充气主管路，5代表气瓶压力监测表，6代表气瓶压力监测信号电缆，7代表第一电气开关，8代表气源输出开关控制信号电缆，9代表气缸前端管路，10代表气缸，11代表气动推杆，12代表传力支座，13代表气缸排气腔压力监测表，14代表气缸排气腔压力监测信号电缆，15代表气缸充气腔压力监测表，16代表气缸充气腔压力监测信号电缆，17代表喷管，18代表喷管前管路，19代表电控式喷管输出电控开关，20代表喷管输出电控开关控制信号电缆，21代表电控式喷管输出开关前管路，22代表喷管输出气源稳压器，23代表喷管输出气源稳压器前管路，24代表第二电气开关，25代表姿控***输出开关控制信号电缆，26代表气缸固定支架。

具体实施方式

现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本实用新型中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本实用新型。另外，对于本实用新型中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本实用新型内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本实用新型所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本实用新型仅描述了优选的方法和材料，但是在本实用新型的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1至图8所示，本实用新型其中一个实施方式中，所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，该组合装置设置在分离子级上，该组合装置包括：

气瓶3；所述气瓶3可以安装在分离子级箭体前底或级间区段上，附图3为气瓶3安装于分离子级前底的状态示意图，附图4为气瓶3安装于级间段的状态示意图。

设置在所述气瓶3供气管路上的分离冲量单元，所述分离冲量单元包括气缸10，所述气缸10上的设置有气动推杆11，所述气动推杆11能将作用力传递至上一级箭体的传力支座12；对于上面级箭体只有一个主喷管17构型的级间结构，可以使用一个气缸10，将气缸10的推力作用于上面级发动机主喷管，如附图2、3和4所示；对于上面级存在一个或多个主喷管构型的级间结构，可以是多个气缸10，多气缸10均匀分布于级间段与上面级后短壳之间的级间分离面上，如附图5和6所示。

设置在所述气瓶3供气管路上的姿控单元，所述姿控单元包括多个喷管17。

控制所述气瓶3与所述分离冲量单元是否连通的第一电气开关7；以及，控制所述气瓶3与所述姿控单元是否连通的第二电气开关24。

所述姿控单元包括：设置在分离子级上的多个喷管17，所述喷管17与所述气缸10联通。

本实用新型所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其在使用的过程中，运载火箭起飞准备阶段，向气瓶3充压缩气体至所需压力，压缩气体可以选择压缩空气、氮气、氦气等；该装置接到级间分离指令后，气瓶3通过供气管路向气缸10的充气腔充气增压，气缸10的气动推杆11推动固定在上面级箭体上的传力支座12，使上面级箭体与分离子级箭体分离；待活塞达到其行程而停止运动时，上面级箭体与分离子级箭体之间在其彼此已经存在的相对速度下，继续运动直至完成级间分离动作。

分离子级分离完成后，分离子级进入回收阶段。根据控制***的指令，根据分离子级箭体姿态的反馈，实时打开对应喷管17，使对应的喷管17向外喷射压缩气体，对箭体进行俯仰、偏航、滚控姿态的控制。如图7所示，图中P1～P8均表示固定在发动机后封头上的喷管17，其中，当喷管17P3和P8同时开，其余喷管17均关闭，可以消除箭体俯仰角正向偏离其理论值的情况；当喷管17P4和P7同时开，其余喷管17均关闭，可以消除箭体俯仰角负向偏离其理值的情况；当喷管17P1和P6同时开，其余喷管17均关闭，可以消除箭体偏航角正向偏离其理论值的情况；当喷管17P2和P5同时开，其余喷管17均关闭，可以消除箭体偏航角负向偏离其理论值的情况；当喷管17P2、P4、P6、P8同时开，其余喷管17均关闭可以消除箭体滚装角度正向偏离其理论值的情况；当喷管17P1、P3、P5、P7同时开，其余喷管17均关闭可以消除箭体滚装角度负向偏离其理论值的情况。

运载火箭起飞准备阶段，打开机械式充气开关2，通过气瓶充放气口1向气瓶充压缩气体至所需压力；气瓶压力监测表5和气瓶压力监测信号电缆6对气瓶3内部压力进行监控。

上述方案中，所述气瓶3为6个～10个。例如，所说气瓶3为6个、7个、8个、9个或10个。

本实用新型所述的装置，根据分离过程所需的总冲量和分离子级的初始参数初步确定用气量的多少及气源的初始压力的大小；在计算完成用气量和气源压力后，即可对气瓶3的数量及承载压力提出要求，确定气瓶3的数量范围。附图2和3中分别为气瓶3在级间段或分离子级前底安装气瓶3时的不同气瓶3分布状态，附图4、5分别为气瓶3、喷管17沿箭体圆周均布的不同情况举例，气瓶3数量和喷管17数量的两种不同情况的组合，实际使用时可以根据计算工况确定；也可对气瓶3的初始充压压力进行适当进行调节，满足不同工况的使用需求。

上述方案中，所述供气管路包括充气主管路4、向所述气缸输送气体的气缸前置管路9、喷管输出气源稳压器前管路23和喷管输出开关前管路21.

其中，所述充气主管路4上设置有向所述气瓶3充放气的气瓶充放气口1、控制所述气瓶充放气口1开关的机械式充气开关2、监测所述气瓶3输出气体压力的气瓶压力监测表5和设置在所述气瓶压力监测表5上的气瓶压力监测信号电缆6。

该组合装置在使用前，打开机械式充气开关2通过气瓶充放气口1向气瓶3中充入气体；该组合装置在使用过程中，接到级间分离指令后，打开第一电气开关7，气瓶3向气缸10的充气腔充气增压，同时气瓶压力监测表5监控气瓶3内的压力之，当气缸10中充入需要气体时，气缸充气腔压力监测表15监测气缸10内气腔压力值的增加，当气缸10内的气压值达到预定值时，在气压的作用下气缸10内的气动推杆11推动固定在上面级箭体上的传力支座12，使上面级箭体与分离子级箭体分离，待活塞达到其行程而停止运动时，上面级箭体与分离子级箭体之间在其彼此已经存在的相对速度下，继续运动直至完成级间分离动作，同时，气缸10内气压降低，气缸排气腔压力监测表13监测气缸10排气时压力的变化。

所述喷管输出气源稳压器前管路23上设置有所述第二电气开关24、设置在所述第二电气开关24上的姿控***输出开关控制信号电缆25和喷管输出气源稳压器22。

所述喷管输出开关前管路21上有喷管输出电控开关19。

该装置在使用过程中，分离子级分离完成后，打开第二电气开关24，分离子级进入回收阶段。根据控制***的指令，分离子级打开电控式喷管输出电控开关19，并根据分离子级箭体姿态的反馈，实时打开喷管17中对应的喷管17向外喷射压缩气体，对箭体进行俯仰、偏航、滚控姿态的控制。喷管输出气源稳压器22实时调整喷管输出状态，保证喷管17的正常工作。

上述方案中，所述气瓶压力监测表5与所述充气主管路4螺纹密封连接；所述输出气源稳压器22与所述喷管输出气源稳压器前管路23螺纹连接；所述气缸排气腔压力监测表13与所述气缸10螺纹连接；所述气缸充气腔压力监测表15与所述气缸10螺纹连接。

本实用新型所述的组合装置中，各管路元器件之间的连接均通过螺纹连接，并具备密封性；压力监测设备与管路之间通过螺纹连接并具备密封性；压力监测设备及气源输出开关信号与箭上接口的连接通过电连接器实现。

上述方案中，该装置还包括气缸固定支架26。

上述方案中，所述喷管17为拉法尔喷管。本实用新型所述的装置，可以根据初始状态的理论计算，确定姿控喷管17的喉径、扩张比；

上述方案中，所述喷管17为8～10个。例如，所述喷管17为8个或10个，以所述喷管17为8个为例，如图7所示，2个喷管17为一组，4组跟喷管17均匀地分布在箭体圆周上。

上述方案中，本实用新型所述的装置在总装测试过程中，可以在各分离面尚未进行连接前给气瓶3充气，打开电控式气源输出开关7，检查气缸活塞是否正常工作；打开电控式姿控***输出开关24后，打开电控式拉法尔喷管输出电控开关，通过感受各喷管17有无气流喷出，对***是否正常工作做定型判定；也可通过气瓶压力监测表5的状态变化对***是否正常做定量分析；在实际飞行工况中，可通过对压力遥测信号的分析判定***是否正常工作。

上述方案中，在本实用新型所述的装置工作的全过程中，可以通过气瓶压力监测表5和气瓶压力监测信号电缆6对全***的压力进行健康检测，判定***的工作正常性。

本实用新型另一方面还提供一种运载火箭，包括上述任一项的组合装置，其中，运载火箭包括主火箭及通过捆绑连杆捆绑于主火箭外侧的助推火箭，所述组合装置设置在待回收的助推火箭上，且所述气缸10设置在所述捆绑连杆的内部，所述气缸10的轴线方向垂直于运载火箭的轴线。

在接到分离信号后，助推火箭受到气动推杆11的作用与箭体分离；分离后的助推火箭，通过打开对应的喷管17，调整箭体姿态，实现箭体的姿态稳定。

本实用新型另一方面还提供一种使用上述的分量冲量及姿控装置的运载火箭。

在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本实用新型的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

Claims (10)

1.一种用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，该组合装置设置在分离子级上，该组合装置包括：

气瓶(3)；

设置在所述气瓶(3)供气管路上的分离冲量单元，所述分离冲量单元包括气缸(10)，所述气缸(10)上设置有气动推杆(11)，所述气动推杆(11)能将作用力传递至上一级箭体的传力支座(12)；

设置在所述气瓶(3)供气管路上的姿控单元，所述姿控单元包括多个喷管(17)；

控制所述气瓶(3)与所述分离冲量单元是否连通的第一电气开关(7)；以及，

控制所述气瓶(3)与所述姿控单元是否连通的第二电气开关(24)。

2.根据权利要求1所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述气瓶(3)为6个～10个。

3.根据权利要求1所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述供气管路包括充气主管路(4)、向所述气缸输送气体的气缸前置管路(9)、喷管输出气源稳压器前管路(23)和喷管输出开关前管路(21)；

其中，所述充气主管路(4)上设置有向所述气瓶(3)充放气的气瓶充放气口(1)、控制所述气瓶充放气口(1)开关的机械式充气开关(2)、监测所述气瓶(3)输出气体压力的气瓶压力监测表(5)和设置在所述气瓶压力监测表(5)上的气瓶压力监测信号电缆(6)；

所述喷管输出气源稳压器前管路(23)上设置有所述第二电气开关(24)、设置在所述第二电气开关(24)上的姿控***输出开关控制信号电缆(25)和输出气源稳压器(22)；

所述喷管输出开关前管路(21)上有喷管输出电控开关(19)。

4.根据权利要求3所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述气缸(10)上设置有气缸排气腔压力监测表(13)、设置在所述气缸排气腔压力监测表(13)上的气缸排气腔压力监测信号电缆(14)、气缸充气腔压力监测表(15)和设置在所述气缸充气腔压力监测表(15)上的气缸充气腔压力监测信号电缆(16)。

5.根据权利要求4所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述气瓶压力监测表(5)与所述充气主管路(4)螺纹密封连接；

所述输出气源稳压器(22)与所述喷管输出气源稳压器前管路(23)螺纹连接；

所述气缸排气腔压力监测表(13)与所述气缸(10)螺纹连接；

所述气缸充气腔压力监测表(15)与所述气缸(10)螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，该装置还包括气缸固定支架(26)。

7.根据权利要求1所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述喷管(17)为拉法尔喷管。

8.根据权利要求1所述的用于运载火箭子级分离及姿态控制的组合装置，其中，所述喷管(17)为8～10个。

9.一种运载火箭，包括如权利要求1至8任一项所述的组合装置，其中，运载火箭包括主火箭及通过捆绑连杆捆绑于主火箭外侧的助推火箭，所述组合装置设置在待回收的助推火箭上，且所述气缸(10)设置在所述捆绑连杆的内部，所述气缸(10)的轴线方向垂直于运载火箭的轴线。

10.使用如权利要求1至8任一项所述的组合装置的运载火箭。