用于火箭垂直回收的着陆腿结构 |
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| 申请号 | CN202310529247.1 | 申请日 | 2023-05-11 | 公开(公告)号 | CN116605423B | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 北京星河动力装备科技有限公司; 北京星河动力航天科技股份有限公司; 安徽星河动力装备科技有限公司; 江苏星河航天科技有限公司; 星河动力(山东)航天科技有限公司; | 发明人 | 刘庆保; 刘百奇; 叶全红; 刘建设; 魏建博; 刘康; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 航天器 结构机构设计技术领域，具体涉及一种用于火箭垂直回收的着陆腿结构，包括：伸缩臂，所述伸缩臂沿火箭箭体的周向分布，且所述伸缩臂的一端与火箭箭体铰接，所述伸缩臂的另一端触地，所述伸缩臂可沿自身轴向伸长与收缩；展开 推杆 ，所述展开推杆的一端安装在火箭箭体上，并可沿自身轴向伸长与收缩；所述展开推杆的另一端和所述伸缩臂铰接，用于驱动所述伸缩臂的展开与回拢；其中，在所述展开推杆的驱动作用下，所述伸缩臂可由第一方向倾斜向外滑移展开，并可向内滑移回拢至所述第一方向。本着陆腿结构主动机构少，展开行程短，可靠性高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于火箭垂直回收的着陆腿结构，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 用于火箭垂直回收的着陆腿结构技术领域背景技术[0002] 垂直起降可重复使用运载火箭基于成熟的运载火箭技术，增设着陆装置，可实现运载火箭的垂直回收，回收后的运载火箭经过简单的维护与推进剂补充，可以迅速投入下一次发射中，从而实现运载火箭的重复使用，垂直起降可重复使用运载火箭可大幅降低运载火箭单次飞行成本，是航天运载火箭发展的重要方向。着陆机构是运载火箭垂直降落回收的关键和核心部件，为运载火箭在回收平面稳定着陆提供支撑，并在下一次发射前收起，实现可重复使用。 [0003] 目前国内外大部分的火箭垂直回收着陆装置均为可折展、可伸缩的腿式结构，但是存在以下不足：1)、主动机构过多，整体系统复杂，可靠性差，且各个主动机构的启动有较严格的顺序，若某装置在时序内没有完成对应操作，则会影响下一时序的动作，甚至会导致整个展开过程的失败；2)、着陆腿要由垂直向上状态，翻转到向下45°左右，转动角度过大，行程较长，所需时间也较长，可靠性和翻转过程中的稳定性都由于时间加长而降低。 发明内容[0004] 为了解决上述问题，简化着陆腿的整体结构，使得着陆腿结构的稳定性和可靠性增加，本发明提供了一种用于火箭垂直回收的着陆腿结构，包括： [0005] 伸缩臂，所述伸缩臂沿火箭箭体的周向分布，且所述伸缩臂的一端与火箭箭体铰接，所述伸缩臂的另一端触地，所述伸缩臂可沿自身轴向伸长与收缩； [0006] 展开推杆，所述展开推杆的一端安装在火箭箭体上，并可沿自身轴向伸长与收缩；所述展开推杆的另一端和所述伸缩臂铰接，用于驱动所述伸缩臂的展开与回拢； [0007] 其中，在所述展开推杆的驱动作用下，所述伸缩臂可由第一方向倾斜向外滑移展开，并可向内滑移回拢至所述第一方向。 [0008] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，所述伸缩臂包括多级第一套筒，靠近火箭箭体端的所述第一套筒上设置有滑槽，且所述滑槽中内置滑块；所述展开推杆包括多级第二套筒，背离火箭箭体端的所述第二套筒和所述滑块铰接。 [0010] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，所述伸缩臂采用第一液压缸，所述展开推杆采用第二液压缸，所述第一液压缸靠近火箭箭体的一侧设置有滑槽，且所述滑槽中内置滑块；所述第二液压缸背离火箭箭体的一端和所述滑块铰接。 [0011] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，所述伸缩臂由所述第一方向倾斜向外滑移展开的角度介于30°‑60°之间。 [0012] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，所述伸缩臂的触地端设置有着陆足垫，所述着陆足垫上连接有至少两根柔性拉索，用于形成相对方向的牵引，所述柔性拉索背离所述着陆足垫的一端连接在火箭箭体上，通过所述柔性拉索用于限制所述伸缩臂展开时的滑移量。 [0013] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，火箭箭体上沿周向设置有拉索收纳盒，且所述拉索收纳盒间隔设置在相邻两个所述伸缩臂之间，所述柔性拉索背离所述着陆足垫的一端连接在所述拉索收纳盒中。 [0014] 根据本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，所述拉索收纳盒中设置有卷扬机构，用于控制所述柔性拉索的释放与收卷。 [0017] 本发明的有益效果： [0018] 本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构的主动机构只有伸缩臂和展开推杆，在火箭垂直着陆时，通过展开推杆驱动伸缩臂展开，同时伸缩臂自身沿轴向伸长，以实现着陆腿结构的展开，从而完成火箭的垂直回收，且伸缩臂和展开推杆无需按照严格的时序控制，增加了系统的鲁棒性、可靠性。 [0019] 在展开推杆驱动伸缩臂展开时，是将伸缩臂由第一方向(例如竖直方向)倾斜向外滑移展开，而不是通过翻转的方式实现展开，这样使得着陆腿结构展开的角度小，行程短，耗时短，大大提高了着陆腿结构在展开过程中的稳定性与可靠性。 [0020] 在展开推杆驱动伸缩臂回拢时，由于展开推杆一端安装在火箭箭体上，另一端和伸缩臂通过铰接点铰接，在伸缩臂收拢状态下，展开推杆可以对伸缩臂有径向、切向的约束作用，与伸缩臂在火箭箭体的铰节点配合作用下，完成对伸缩臂的固定，无需专用的压紧释放装置，简化了整体结构，提高了整体的可靠性。附图说明 [0021] 为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0022] 图1是本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构在展开状态下的结构示意图； [0023] 图2是本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构在收拢状态下的结构示意图； [0024] 图3是本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构在展开状态下展开推杆和伸缩臂连接关系的第一视角局部放大图； [0025] 图4是本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构在展开状态下展开推杆和伸缩臂连接关系的第二视角局部放大图。 [0026] 附图标记：1、伸缩臂；2、展开推杆；3、滑槽；4、滑块；5、缓冲器；6、着陆足垫；7、拉索收纳盒；8、柔性拉索。 具体实施方式[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。 [0028] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0029] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。 [0031] 下面结合说明书附图描述本发明提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构。 [0032] 图1是用于火箭垂直回收的着陆腿结构在展开状态下的结构示意图，由图中可以直观得知，垂直回收火箭周向设置有四个着陆腿结构(图中仅示出三个)，着陆腿结构包括：伸缩臂1和展开推杆2，伸缩臂1和展开推杆2都可以沿自身轴向进行伸长和收缩，在着陆腿结构展开状态下，展开推杆2驱动伸缩臂1向外展开。 [0033] 其中，伸缩臂1的一端和火箭箭体通过铰节点连接，伸缩臂1可以绕铰节点转动，伸缩臂1的另一端为触地端，用于与地面接触，提供支撑；在伸缩臂1的触地端一侧依次连接有缓冲器5和着陆足垫6，用于缓冲火箭着陆瞬间产生的冲击力，并使得火箭可以稳定着陆；每个着陆足垫6上连接有至少两根柔性拉索8，以形成相对方向的牵引，柔性拉索8的另一端连接在火箭箭体上设置的拉索收纳盒7中，每根柔性拉索8与相邻着陆足垫6上的一根柔性拉索8共享一个拉索收纳盒7；柔性拉索8在着陆腿结构展开状态下，从拉索收纳盒7中抽出，提供着陆过程中产生的拉力，限制伸缩臂1的滑移量，保证着陆腿结构的稳定。 [0034] 展开推杆2一端安装在火箭箭体上，具体可以固定在火箭内部，另一端和伸缩臂1铰接，用于驱动伸缩臂1向外滑动展开，使得着陆腿结构的展开状态如图1所示。 [0035] 伸缩臂1与火箭箭体为铰节点连接，展开推杆2与火箭箭体为固定连接，展开推杆2与伸缩臂1为铰节点连接，再通过柔性拉索8将着陆足垫6和火箭箭体连接，使得本着陆腿结构在展开状态和收拢状态均为静定结构，系统内所有杆件、连接节点、拉索均只承受拉力或者压力，不承受弯矩。一般情况下同样的结构承受拉/压力的能力强于承受弯矩的能力，因此本系统内所有结构件的结构效率高，即承受同样载荷的情况下，可以将本系统结构的质量设计得更轻，体积设计得更小。 [0036] 图2是用于火箭垂直回收的着陆腿结构在收拢状态下的结构示意图，由图中可以直观得知，在着陆腿结构完全收拢时，展开推杆2可以缩回火箭箭体的内部，同时驱动伸缩臂1向内回拢至第一方向，第一方向可以为竖直方向，使其紧贴火箭箭体；由于展开推杆2与伸缩臂1始终通过铰节点连接，在着陆腿结构收拢状态下，展开推杆2可以对伸缩臂1产生径向、切向的约束作用，并在伸缩臂1和火箭箭体的铰节点配合作用下，完成对伸缩臂1的固定，因此无需专用的压紧释放装置；随着伸缩臂1向内回拢，着陆足垫6上的柔性拉索8缩回至拉索收纳盒7中。 [0037] 图3和图4分别是用于火箭垂直回收的着陆腿结构在展开状态下展开推杆2和伸缩臂1连接关系的第一视角局部放大图和第二视角局部放大图，提供了一种伸缩臂1和展开推杆2铰接连接的方式，由图中可以直观得知，伸缩臂1上设置有T型滑槽3，其内部设置有滑块4，滑块4可以沿滑槽3进行运动，展开推杆2与滑块4通过铰接点连接，可以互相转动，从而驱动伸缩臂1的展开与回拢。 [0038] 为了更好地理解上述技术方案，下面对用于火箭垂直回收的着陆腿结构的各个具体实施方式进行详细的说明。 [0039] 根据本发明提供的一方面的实施例，参照图1‑图4，提供了一种用于火箭垂直回收的着陆腿结构，包括： [0040] 伸缩臂1，伸缩臂1沿火箭箭体的周向分布，且伸缩臂1的一端与火箭箭体铰接，伸缩臂1的另一端触地，伸缩臂1可沿自身轴向伸长与收缩； [0041] 展开推杆2，展开推杆2的一端安装在火箭箭体上，并可沿自身轴向伸长与收缩；展开推杆2的另一端和伸缩臂1铰接，用于驱动伸缩臂1的展开与回拢； [0042] 其中，在展开推杆2的驱动作用下，伸缩臂1可由第一方向倾斜向外滑移展开，并可向内滑移回拢至第一方向，第一方向可以为竖直方向，使得伸缩臂1在着陆腿结构收拢状态下紧贴火箭箭体。 [0043] 目前主流运载火箭垂直回收主要通过能够展开的着陆腿来完成火箭垂直着陆，但是现有的用于火箭垂直回收的着陆腿结构主动结构过多，一般包括压紧释放装置、辅助展开机构、伸缩臂等，压紧释放装置用于整个着陆腿机构的锁定和展开前的释放，辅助展开机构是一个小型推杆，用于将着陆腿推过“死点”防止卡滞，伸缩臂是主要支撑结构，可通过收缩，并绕与箭体的铰节点旋转，使整体结构由展开状态变为收拢状态。由于存在较多的主动机构，若有一个主动机构出现故障，则着陆腿就无法成功展开，且各个主动机构的启动有较严格的顺序，其顺序依次为压紧释放装置释放着陆腿、辅助展开机构推动着陆腿过“死点”、伸缩臂伸长展开，控制系统需要严格按照时序进行精确控制，若某个装置在时序内没有完成对应操作，则会影响下一时序的动作，最终也会导致着陆腿整个展开过程的失败。 [0044] 此外，着陆腿展开时一般要由垂直向上的状态，翻转到向下45°左右，此过程中着陆腿转动角度过大，行程较长，所需时间也较长，可靠性和稳定性都由于时间加长而降低。 [0045] 为了解决现有的火箭着陆腿在展开时主动机构过多，展开行程过长的问题，本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构减少了主动机构的数量，整个着陆腿结构仅仅只包括伸缩臂1和展开推杆2两个主动机构，通过展开推杆2驱动伸缩臂1展开以实现着陆腿结构展开，且在着陆腿展开过程中伸缩臂1和展开推杆2无需严格的时序控制，从而增加了系统的鲁棒性、可靠性。进一步地，在着陆腿结构展开时，展开推杆2驱动伸缩臂1向外滑移展开，而非翻转形式，从而缩短了展开的行程，减少了展开时的时耗，大大提高了着陆腿结构展开时的可靠性和稳定性。 [0046] 在火箭垂直着陆时，着陆腿结构的展开过程为：展开推杆2和伸缩臂1沿自身轴向逐级伸长，且展开推杆2和伸缩臂1伸长时无先后顺序可同时进行，随着展开推杆2的伸长，驱动伸缩臂1倾斜向外滑动展开。在火箭垂直着陆后，将火箭吊起并将火箭放置在使用本体支撑的工位后，展开推杆2和伸缩臂1沿自身轴向逐级收缩，与展开过程一样，此时并无先后顺序要求，收拢后的着陆腿结构可以实现重复使用。 [0047] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，参照图3‑图4，提供了一种可以实现伸缩臂1和展开推杆2伸长与收缩的具体结构形式：伸缩臂1包括多级第一套筒，靠近火箭箭体端的第一套筒上设置有滑槽3，且滑槽3中内置滑块4；展开推杆2包括多级第二套筒，背离火箭箭体端的第二套筒和滑块4铰接。 [0048] 其中，伸缩臂1可以为三级套筒，在一级套筒(靠近火箭箭体端的套筒)上可以设置T型滑槽3，二、三级套筒可以进行伸缩运动；展开推杆2也可以是三级套筒，一级套筒固定在火箭的内部，二、三级套筒可以进行伸缩运动，且三级套筒的端部和T型滑槽3中的滑块4铰接。 [0049] 当然，可以理解的是，伸缩臂1和展开推杆2采用的套筒的级数可以根据实际应用情况设置，伸缩臂1上的T型滑槽3和滑块4，可由其他只提供沿伸缩臂1轴向滑动的结构代替。 [0050] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，多级第一套筒和多级第二套筒由内部设置的气压驱动器或液压驱动器或电磁驱动器驱动完成伸缩运动。 [0051] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，提供了另一种可以实现伸缩臂1和展开推杆2伸长与收缩的具体结构形式：伸缩臂1采用第一液压缸，展开推杆2采用第二液压缸，第一液压缸靠近火箭箭体的一侧设置有滑槽3，且滑槽3中内置滑块4；第二液压缸背离火箭箭体的一端和滑块4铰接。 [0052] 伸缩臂1和展开推杆2采用液压缸的形式，结构简单，无需额外的伸缩驱动器，在着陆腿结构展开或伸缩过程中，运动平稳，工作可靠，提高了火箭垂直着陆时的稳定可靠性，为火箭垂直着陆提供稳定支撑。 [0053] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，参照图1，伸缩臂1由第一方向倾斜向外滑移展开的角度介于30°‑60°之间。 [0054] 伸缩臂1初始位置竖直贴近火箭箭体，在着陆腿结构展开过程中，伸缩臂1由垂直向下开始，展开到倾斜向下30°‑60°角之间，整个展开过程的角度小，行程短，耗时短，从而可靠性和稳定性大幅度提高。 [0055] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，伸缩臂1的触地端设置有着陆足垫6，着陆足垫6上连接有至少两根柔性拉索8，用于形成相对方向的牵引，柔性拉索8背离着陆足垫6的一端连接在火箭箭体上，通过柔性拉索8用于限制伸缩臂1展开时的滑移量。 [0056] 具体的，着陆足垫6和伸缩臂1之间通过法兰固定连接，不能相对运动，为了使得在着陆腿结构展开后着陆足垫6为整体提供平稳支撑，保证此时着陆足垫6水平置于地面上，着陆足垫6和伸缩臂1连接时存在一定的倾斜角度，参照图2。着陆足垫6上还设置有一个连接孔，用于连接柔性拉索8，具体的，着陆足垫6的左右两侧各连接有至少一根柔性拉索8，形成一组相对的力，在柔性拉索8的牵引作用下，限制着陆腿结构的滑移量，保证整体系统的稳定，可靠。柔性拉索8采用高强度的合成纤维，或者采用其他高强度的柔性材料或者采用金属制成的链子，保证强度足够高，能够承受足够的拉压力。 [0057] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，火箭箭体上沿周向设置有拉索收纳盒7，且拉索收纳盒7间隔设置在相邻两个伸缩臂1之间，柔性拉索8背离着陆足垫6的一端连接在拉索收纳盒7中。 [0058] 具体的，柔性拉索8收纳在拉索收纳盒7中，且每根柔性拉索8与其相邻着陆腿上的一根柔性拉索8共用一个拉索收纳盒7，参照图1‑图2。当着陆腿结构展开时，柔性拉索8从拉索收纳盒7中抽出，提供拉紧力；当着陆腿结构收拢时，柔性拉索8缩回至拉索收纳盒7中，围绕火箭箭体缠绕一圈。 [0059] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，拉索收纳盒7中设置有卷扬机构，用于控制柔性拉索8的释放与收卷。 [0060] 在拉索收纳盒7中设置有滚轮，柔性拉索8就缠绕在滚轮上，折叠存放在拉索收纳盒7中，为了提高柔性拉索8在释放和收紧过程中的自动化，滚轮由卷扬机构控制，通过卷扬机构自动完成柔性拉索8的释放和收卷。 [0061] 当然，也可在柔性拉索8释放后，由人工折叠至拉索收纳盒7中，例如，可以在滚轮上连接一个控制其转动的手摇杆，通过手动摇动手摇杆实现柔性拉索8收缩至拉索收纳盒7中。 [0062] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，伸缩臂1的触地端和着陆足垫6之间设置有缓冲器5，缓冲器5和伸缩臂1、着陆足垫6通过法兰盘连接，使得缓冲器5和伸缩臂1、着陆足垫6之间不能相对运动。 [0063] 通过设置缓冲器5，可以缓冲火箭着陆瞬间产生的巨大冲击力，缓冲器5可以采用可重复使用的气/液缓冲器5或者弹簧缓冲器5，也可以采用不能重复使用的铝蜂窝缓冲器5，还可以采用上述多种缓冲方式的组合。 [0064] 根据本实施例提供的用于火箭垂直回收的着陆腿结构，着陆足垫6的底部设置有液压支撑脚，火箭箭体上设置有位置平衡传感器，位置平衡传感器和液压支撑脚连接，用于控制液压支撑脚的升降。 [0065] 在火箭发射或者着陆时，通常会选在地势平坦开阔，地质结构稳定的地方，但是不能完全保证地势平坦，这样会导致火箭发生倾斜偏移，不利于整体的稳定，因此，通过在火箭箭体上设置位置平衡传感器，实时监控火箭本体是否平衡，当火箭发生倾斜时，位置平衡传感器可以将信号传递至控制系统，通过控制系统控制着陆足垫6底部的液压支撑脚进行升降，使得火箭恢复至平衡位置。 [0066] 在利用本实施例提供的着陆腿结构进行火箭垂直回收时，着陆腿结构展开的过程包括：伸缩臂1的逐级伸长和展开推杆2的逐级伸长，这两个过程没有必须的先后顺序并且可同时进行，在伸缩臂1和展开推杆2的伸长过程中，伸缩臂1上的滑块4在T型滑槽3内滑动，着陆足垫6带动柔性拉索8由拉索收纳盒7中伸出，当伸缩臂1和展开推杆2伸长到位后，柔性拉索8同时伸长到最长长度，并提供着陆过程中产生的拉力。 [0067] 在本着陆腿结构展开过程中，着陆腿结构由垂直向下向周围展开，具有展开角度小、展开行程短、所需时间短的优点；伸缩臂1的伸长与伸缩臂1的滑移分别由两个机构控制，并不互相耦合，伸缩臂1的伸长由伸缩臂1内部气/液压驱动器或者电磁驱动器或者液压缸控制，伸缩臂1的滑移由展开推杆2的伸长驱动，展开推杆2的伸长可以由气/液压驱动器或者电磁驱动器或者液压缸控制，且两个机构运动的先后顺序无需严格控制，增加了系统的鲁棒性和可靠性，展开推杆2在收拢和展开状态以及展开过程中，始终与伸缩臂1连接，保证了展开过程中伸缩臂1滑移量可控，并且在收拢状态下对伸缩臂1进行辅助固定。此外，通过柔性拉索8代替着陆腿外壳，便于在着陆腿结构收拢状态下收纳在拉索收纳盒7中，具有质量轻、柔性易弯折、占用体积小的优点。 [0068] 需要说明的是，上述着陆腿结构的应用不限于火箭的垂直回收，也可以应用于其他航天器(如月球探测器、火星探测器、载人飞船)的垂直着陆。 [0069] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。 [0070] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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