CN106516168A - 一种全防护柔性展开式再入减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全防护柔性展开式再入减速器，包括载荷舱主体，载荷舱主体下端连接有刚性防热钝头；载荷舱主体的上端安装有滑动连接框，滑动连接框的顶部安装有头盖，载荷舱主体与刚性防热钝头的连接处设置有铰接座及螺孔支座，下支撑杆的下端与铰接座连接，下支撑杆的上端与上支撑杆的下端连接，上支撑杆的上端与滑动连接框连接；上支撑杆与下支撑杆上分别连接有背风面柔性防热结构与迎风面柔性防热结构；该减速器采用连杆展开机构、增加背风面防热结构，从而达到既能降低对运载火箭整流罩包络要求、克服来流/激波对减速器后端影响，又能改善飞行环境、提高载荷容积，为未来载荷地外星体进入、减速、着陆提供了一种技术路径。

Description

一种全防护柔性展开式再入减速器

技术领域

本发明属于航天器进入与返回技术领域，具体是涉及一种全防护柔性展开式再入减速器。

背景技术

目前国际上具备弹道式或半弹道式再（进）入能力的减速器结构主要包括传统的刚性固定式及新型的柔性展开式两种。对于传统的刚性固定式减速器而言，其优点是防热结构附着在整个外表面对减速器进行全防护，在这种全防护结构形式的前提下，减速器质心位置就可以偏离中心轴设计，生成一个大于0°的配平攻角，从而使减速器具备一定升力，达到改善气动环境、实现半弹道式再（进）入飞行的目的；其缺点是因整个减速器为刚性固定式结构，受火箭整流罩包络约束，限制了减速器容积及载荷运输能力，已经满足不了当今的实际需要。

针对传统的刚性固定式减速器，后期的柔性展开式减速器得到发展。然而，对于新型的柔性展开式减速器而言，目前国际上有充气式展开和机械式展开两种，其优点是气动面及防热结构为柔性可展开结构，发射时收拢、再（进）入前展开，受火箭整流罩包络约束较小，在相同整流罩包络下，容积及载荷运输能力优于传统刚性固定式减速器；其缺点是气动面为类“伞”式构型并安装在减速器前端，对减速器只是半防护。因此为避免来流对减速器后端直接冲刷，质心一般都设计在中心轴上，配平攻角为0°，这样的减速器基本上没有升力，飞行环境相对恶劣。另外，即使是在0°攻角状态下，为防止过肩部激波对减速器后端造成影响，柔性展开式减速器轴向尺寸明显小于气动面直径，这在一定程度上也限制了减速器的容积和载荷运输能力。

因此，设计一种能够在全防护结构形式的前提下，保证荷载量，同时气动面及防热结构为柔性可展开结构的再入减速器一直是本领域技术人员厄待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种全防护柔性展开式再入减速器，具备全防护柔性展开功能，从而达到既能降低对运载火箭整流罩包络要求，又能克服来流/激波对减速器后端影响、提高载荷容积、达到改善飞行环境的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全防护柔性展开式再入减速器，包括载荷舱主体，载荷舱主体下端固定连接有刚性防热钝头；载荷舱主体的上端安装有滑动连接框，滑动连接框通过滑动导向杆上下滑动；滑动连接框的顶部安装有头盖；载荷舱主体与刚性防热钝头的连接处设置有铰接座及螺孔支座，下支撑杆的下端与铰接座连接，下支撑杆的上端与上支撑杆的下端铰链连接，上支撑杆的上端与滑动连接框铰链连接。通过铰链连接实现上支撑杆与下支撑杆的收拢与展开，通过铰链连接同时可以实现全防护气动面整个结构的收拢与展开；所述的上支撑杆与下支撑杆上分别连接有背风面柔性防热结构与迎风面柔性防热结构，上支撑杆与下支撑杆转动到位后，柔性防热结构被完全撑起，从而实现减速器全防护功能。

进一步，所述的铰链连接是通过转轴铰链连接。

进一步，所述的滑动连接框的顶部安装有与铰接座位置相对应的耳片，上支撑杆的上端与耳片转轴连接；所述的滑动连接框的底部设置有与螺孔支座位置相对应的套筒，上支撑杆的上端与耳片转轴连接使得上支撑杆可以收拢与展开，套筒用来安装弹性驱动单元及滑动导向杆。

进一步，所述的套筒内部安装有弹性驱动单元，所述的滑动导向杆穿过套筒连接到螺孔支座，所述的滑动导向杆顶部安装有头部限位块。

进一步，所述的上支撑与下支撑杆的接头处包覆有包带锁紧单元；包带锁紧单元包覆在上支撑杆与下支撑杆的接头处，从而实现对减速器收拢锁紧。

进一步，所述的刚性防热钝头为双层球锥构型，外层为刚性防热材料，内层为铝蜂窝夹层结构，该结构形式不但可以起到提高阻力系数、烧蚀防热作用，还可起到着陆抗冲击缓冲作用。

进一步，所述的载荷舱主体为圆柱形薄壁结构，内侧为空腔结构，内侧空腔用于装载载荷。

进一步，所述的头盖为拱形空腔结构，内侧装有减速伞，头盖可在地面或再入大气层前整体打开，便于载荷货物往载荷舱主体内装卸；也可以在再入大气层后的跨音速阶段抛去外侧拱形罩，拉出减速伞，二次减速。

本发明与现有技术的有益效果在于：

（1）本发明与全防护刚性固定式结构相比，该减速器采用连杆展开机构、增加背风面防热的技术方案，所设计的展开机构具备气动面发射时收拢、再入前展开功能，能显著降低对运载火箭整流罩包络需求；

（2）本发明与半防护柔性展开式结构相比，所设计的全防护结构能阻挡来流对减速器后端直接冲刷，质心位置可以偏离中心轴设计，生成一个不大的配平攻角，从而使减速器具备一定升力，改善气动环境；全防护柔性展开式再（进）入减速器结构为未来载荷地外星体进入、减速、着陆提供了一种新的技术路径；

（3）在0°攻角飞行状态下，增加的背风面柔性防热结构能克服过肩部激波对减速器后端影响，当迎风面以及背风面柔性防热结构被完全撑起时，能够实现减速器全防护功能；在相同气动面直径条件下，其轴向高度可明显大于半防护柔性展开式结构，一定程度上提高了减速器的容积和载荷运输能力；

（4）刚性防热钝头采用的球锥形双层空腔结构，能提供与着陆腿相当效果的着陆缓冲，实现了防热与承载功能一体化。

附图说明

图1为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的气动面展开状态结构示意图；

图2为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的气动面收拢状态结构示意图；

图3为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的刚性防热钝头与载荷舱主体连接示意图；

图4为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的滑动连接框结构示意图；

图5为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的载荷舱主体与滑动连接框收拢状态下的装配关系示意图；

图6为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的载荷舱主体与滑动连接框展开状态下的装配关系示意图；

图7为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的支撑杆装配关系示意图；

图8为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的柔性防热结构装配关系示意图；

图9为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的发射时收拢状态示意图；

图10为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的再入大气前展开状态示意图；

图11为本发明一种全防护柔性展开式再入减速器的展开后抛头盖状态示意图。

其中，1-刚性防热钝头，2-迎风面柔性防热结构，3-滑动连接框，4-弹性驱动单元，5-滑动导向杆，6-头盖，7-上支撑杆，8-下支撑杆，9-载荷舱主体，10-包带锁紧单元，11-背风面柔性防热结构11，12-铰接座，13-螺孔支座，14-耳片，15-套筒，16-头部限位块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1~2所示，其中图1和图2分别是全防护柔性展开式再入减速器的气动面展开状态以及收拢状态时的结构示意图，本发明的一种全防护柔性展开式再入减速器包括刚性防热钝头1、迎风面柔性防热结构2、滑动连接框3、弹性驱动单元4、滑动导向杆5、头盖6、上支撑杆7、下支撑杆8、载荷舱主体9、包带锁紧单元10和背风面柔性防热结构11，载荷舱主体9位于刚性防热钝头1之上并与之采用螺钉固连；所述的载荷舱主体9的上端安装有滑动连接框3，所述的滑动连接框3通过滑动导向杆5上下滑动；所述的滑动连接框3的顶部安装有头盖6；如图2所示，包带锁紧单元10包覆在上支撑杆7与下支撑杆8的接头处，对减速器收拢锁紧。

如图3所示，所述的刚性防热钝头1位于整个结构最底层，其为双层球锥构型，既可起到烧蚀防热作用，也可兼顾抗冲击缓冲；所述的刚性防热钝头1与载荷舱主体9连接处均匀设置若干个铰接座12及4个螺孔支座13，铰接座12用来连接下支撑杆8，螺孔支座13用来连接滑动导向杆5，下支撑杆8的下端与铰接座12连接，下支撑杆8的上端与上支撑杆7的下端通过转轴铰链连接，上支撑杆7的上端与滑动连接框3通过转轴铰链连接，上支撑杆7和下支撑杆8均匀分布在滑动连接框3与载荷舱主体9四周；上支撑杆7与下支撑杆8上分别连接有背风面柔性防热结构11与迎风面柔性防热结构2。

如图4所示，为本发明滑动连接框3去掉头盖6以及含头盖6的示意图，滑动连接框3为一圆柱形薄壁结构，在滑动连接框3顶部与铰接座12对应地均匀设置若干个支撑杆耳片14，用来连接上支撑杆7的上端；在滑动连接框3底部与螺孔支座13对应地均匀设置4个套筒15，用来安装弹性驱动单元4及滑动导向杆5，再入大气层前，滑动连接框3在弹性驱动单元4驱动下沿滑动导向杆5运动，从而带动上支撑杆7与下支撑杆8转动展开；如图4所示头盖6安装在滑动连接框3顶部，头盖6为一拱形空腔结构，内侧装有减速伞；头盖6可在地面或再入大气层前整体打开，便于载荷货物往载荷舱主体9内装卸；也可以在再入大气层后的跨音速阶段抛去外侧拱形罩，拉出减速伞，二次减速。

如图5~6所示, 滑动连接框3套在载荷舱主体9上，滑动导向杆5穿过套筒15连接到螺孔支座13，弹性驱动单元4装在套筒15内。如图5所示，减速器处于收拢状态时，滑动连接框3位于载荷舱主体9顶部，弹性驱动单元4为压缩储能状态，其中图4中的Ⅰ（12:1），Ⅱ（12:1），Ⅲ（10:1）减速器处于收拢状态时对应的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ部分的结构细节放大图；包带锁紧单元10包覆在上支撑杆7与下支撑杆8的接头处，从而实现对减速器收拢锁紧；如图6所示，再入大气层前，包带锁紧单元10解锁。当包带锁紧单元10解锁后，弹性驱动单元4释放能量，驱动滑动连接框3沿滑动导向杆5向刚性防热钝头1方向运动，当滑动导向杆5的头部限位块16与滑动连接框3的顶部结构接触后，运动停止，其中图5中的Ⅳ（8:1），Ⅴ（8:1），Ⅵ（8:1）分别为减速器处于展开状态时Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ部分的结构细节放大图。

如图7所示，上支撑杆7的上端与耳片13通过转轴连接，上支撑杆7的上端与下支撑杆8的上端通过转轴连接；下支撑杆8的下端与铰接座12通过转轴连接；包带锁紧单元10包覆在上支撑杆7与下支撑杆8的接头处，从而实现对减速器收拢锁紧；包带锁紧单元10解锁后，滑动连接框3沿滑动导向杆5往刚性防热钝头1方向运动，从而驱动上支撑杆7与下支撑杆8展开。

如图8所示，当包带锁紧单元10解锁后，滑动连接框3沿滑动导向杆5往刚性防热钝头1方向运动，从而驱动上支撑杆7与下支撑杆8展开，迎风面柔性防热结构2与背风面柔性防热结构11采用铆接、缝合的方式连接在下支撑杆8与上支撑杆7上，迎风面柔性防热结构2与背风面柔性防热结构11为具备抗拉功能的三维碳纤维编织防热材料，支撑杆转动到位后，柔性防热结构被完全撑起，从而实现减速器展开、全防护功能。

以地球再入返回为例，本发明的工作流程如下：

如图9所示，在发射时整体结构处于图9所示的收拢状态位于火箭整流罩内。背风面柔性防热结构11与迎风面柔性防热结构2收拢在上支撑杆7与下支撑杆8之间；包带锁紧单元10包覆在柔性防热结构2与背风面柔性防热结构11外侧、上支撑杆7与下支撑杆8的接头处；头盖6处于关闭状态。

再入大气前，包带锁紧单元10上的爆炸螺栓启动，包带锁紧单元10解锁抛离；弹性驱动单元4释放能量，驱动滑动连接框3沿滑动导向杆5向下运动，带动上支撑杆7、下支撑杆8及其上的迎风面柔性防热结构2、背风面柔性防热结构11一起展开；当滑动导向杆5的头部限位块16与滑动连接框3的顶部结构接触后，运动停止，全防护气动面完全展开，如图10所示。

再入过程中，结构依靠展开的全防护气动面进行气动减速，当飞行速度降低至跨音速时，头盖6上的外侧拱形罩抛离，拉出减速伞二次减速，如图11所示。

在着陆过程中，依靠刚性防热钝头1的空腔结构及内层铝蜂窝材料吸收着陆冲击能力，实现缓冲。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全防护柔性展开式再入减速器，包括载荷舱主体（9），其特征在于，所述的载荷舱主体（9）下端固连有刚性防热钝头（1）；所述的载荷舱主体（9）的上端安装有滑动连接框（3），所述的滑动连接框（3）通过滑动导向杆（5）上下滑动；所述的滑动连接框（3）的顶部安装有头盖（6）；所述的载荷舱主体（9）与刚性防热钝头（1）的连接处设置有铰接座（12）及螺孔支座（13），下支撑杆（8）的下端与铰接座（12）连接，下支撑杆（8）的上端与上支撑杆（7）的下端铰链连接，上支撑杆（7）的上端与滑动连接框（3）铰链连接；所述的上支撑杆（7）与下支撑杆（8）上分别连接有背风面柔性防热结构（11）与迎风面柔性防热结构（2）。

2.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的铰链连接是通过转轴铰链连接。

3.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的滑动连接框（3）的顶部安装有与铰接座（12）位置相对应的耳片（14），上支撑杆（7）的上端与耳片（14）通过转轴连接；所述的滑动连接框（3）的底部设置有与螺孔支座（13）位置相对应的套筒（15）。

4.根据权利要求3所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的套筒（15）内部安装有弹性驱动单元（4），所述的滑动导向杆（5）穿过套筒（15）连接到螺孔支座（13），所述的滑动导向杆（5）顶部安装有头部限位块（16）。

5.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的上支撑杆（7）与下支撑杆（8）的接头处包覆有包带锁紧单元（10）。

6.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的刚性防热钝头（1）为双层球锥构型，外层为刚性防热材料，内层为铝蜂窝夹层结构。

7.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的载荷舱主体（9）为圆柱形薄壁结构，内侧为空腔结构。

8.根据权利要求1所述的一种全防护柔性展开式再入减速器，其特征在于，所述的头盖（6）为拱形空腔结构，内侧装有减速伞。