一種火箭回收著陸裝置的製作方法
2023-07-22 19:04:56
(一)技術領域
本設計是一種火箭回收著陸裝置，它用於運載火箭第一子級在進行軌道分離任務後以垂直姿態返回指定回收區域進行著陸的場景。該火箭回收裝置可以通過火箭子級主發動機再點火，爆炸螺栓解鎖後，支架在電機輔助作用下自然展開著陸，完成緩衝目的。本設計屬於航空航天技術領域。
(二)背景
2006年10月24日上午6時48分，我國太原衛星發射中心成功發射了一枚運載火箭用以攜帶衛星上天，那就是「長徵四號乙」運載火箭，該火箭發射時承載了兩顆用於空間環境探測的衛星，而其火箭助推器分離解鎖後不可操控地墜落在陝西省內的安康地區，所幸的是火箭助推器的金屬物體墜落地面時並沒有直接造成人員傷亡，但這一墜落事件依然給當地村民造成了極大的驚慌。2008年4月25日23時35分，由中國空間技術研究院為主研製的我國第一顆數據中繼衛星「天鏈一號01星」在西昌衛星發射中心通過地球同步轉移軌道運載能力為3.8噸的「長徵三號丙」運載火箭成功進行發射升空。然而8分鐘後，一個龐然大物墜落在仁懷市的九倉鎮境內，那就是先前用於發射該衛星的火箭一級助推器殘骸。為了保護廣大人民群眾的生命財產安全避免受到火箭助推器殘骸墜落的影響，需要將附近四個鄉鎮落區的群眾，進行大規模的疏散，撤離到開闊地帶和遠離墜落區的安全區域。
2015年12月22日，軌道通信公司的11顆小型通信衛星經由搭載獵鷹-9(falcon-9)火箭成功發射，這是美國太空探索技術公司(spacex)開發的一款運載火箭。這是升級版獵鷹-9火箭的首次使用。更重要的是，獵鷹-9火箭在世界上首次成功進行火箭第一子級(firststage)有動力情況下的垂直回收，軌道運載火箭的回收技術由此得到了歷史上首次充分驗證，它同時還為將來能夠明顯降低發射成本的完全可重複使用運載器打下了堅定地技術基礎。
回收運載器能夠保障地面人員的生命財產安全，避免火箭發射後的殘骸隨機墜落入民居威脅生命財產安全。此外，總造價約為五千萬美元的獵鷹-9火箭，其推進劑的成本大概只有20萬美元。因此，如能有效地完成回收火箭的任務，使其經過簡單維修後甚至不需要維修就能夠重複使用，則可極大降低其發射成本。針對火箭回收問題，提出一種四腿式回收著陸用支架方案，設計了火箭回收著陸裝置，用於實現火箭回收的著陸。
(三)設計內容
1、目的：本設計的目的是為了實現火箭回收的安全著陸，提供了一種火箭回收著陸裝置，它提供了一種新的火箭回收著陸方法，克服了現有技術的不足，能實現火箭回收的安全著陸。
2、技術方案：本設計一種火箭回收著陸裝置，它是由火箭子級、主動支架、從動支架、液壓阻尼杆四個部分組成，其中火箭子級包括：火箭第一子級、電機、電機傳動系統三個部分；主動支架包括：傳動軸、主動支架兩個部分；從動支架包括：緩衝器、緩衝器支架、從動支架金屬板兩塊、整流罩、鎖定器，液壓阻尼杆自身單獨作為一個部分，四個部分組成了一個曲柄機構，其中火箭子級為機架，主動支架為曲柄。
它們之間的位置連接關係是：首先固定火箭第一子級，電機與電機傳動系統布置在火箭子級內部，之後通過轉動軸將液壓阻尼杆和主動支架的一端分別固定在火箭第一子級的支架儲倉內部，採用輔助器械使其保持一定的角度，同時將兩片從動支架金屬板與整流罩通過連接螺栓固定成一個整體，將著陸緩衝器與著陸緩衝器支架連接成為一個整體，然後將鎖定器與著陸緩衝器一起與從動支架金屬板和整流罩整體連接，形成完整的從動支架部件，再將從動支架依靠轉動軸連接在液壓阻尼杆和主動支架的另一端，通過輔助器械將著陸支架收起到鎖定位置，在鎖定器上端與火箭第一子級之間安裝雙元爆炸螺栓即完成單個著陸支架的裝配。子級火箭作為著陸支架所搭載的主體，在其下部支架倉位收納四個由主動支架，從動支架，液壓阻尼杆和整流罩等部件組成的著陸支架，火箭底部安裝可重複點火的發動機提供推力。具體的連接接觸情況可以參考圖1(a)支架收攏狀態、圖1(b)支架展開狀態、圖2著陸支架所示。
所述火箭第一子級為抽空圓柱體，其結構輪廓可參考圖1，外部直徑為3660mm，高度42600mm，支架倉位寬度800mm，高度10850mm，其底端距離火箭底部為600mm，深度為800mm。其主要功能是提供推進力，為火箭第二級提供依託，提供支架收納倉位，是回收目標進行的主體；
所述電機選型ytsz系列冶金及起重用變頻調速三相異步電機ytsz335l-4，直徑為710mm，長度為1580mm，提供避免卡死的轉矩，額定轉矩2005.5n·m，最大轉矩/額定轉矩為3.5；
所述電機傳動系統為定製，滿足傳動穩定，傳動比1～10情況下，傳動效率0.75即可，總體布置如圖3所示；
所述傳動軸，直徑為100mm，長度為400mm；
所述主動支架為直槽型，是整個火箭著陸回收支架的啟動部件，與驅動電機經過傳動軸和電機傳動系統相互連接，寬度為300mm，配合關節距離為5000mm，厚度為150mm，其結構輪廓可參考圖4；
所述整流罩，為不規則外型，質量約為1232.724kg，其結構輪廓可參考圖5。
所述從動支架金屬板為不規則直槽型，最長配合關節為9500mm，最長寬度為745mm，厚度為20mm，其中與主動支架配合處厚度為280mm，與液壓阻尼杆配合處厚度為280mm，其結構輪廓可參考圖6；
所述鎖定器，為近似兩長方體拼接形狀，其中上端長方體底面弧度與整流罩內側弧度一致，頂面形狀滿足液壓阻尼杆鎖定位置形狀。鎖定器最大寬度510mm，最大長度1000mm，最大高度406.26mm，使用m48螺栓固定，其結構輪廓可參考圖7；
所述著陸緩衝器支架，其結構輪廓可參考圖8，上部圓柱體與從動支架金屬板配合，直徑為200mm，厚度100mm，下部圓柱體與著陸緩衝器相互配合，外部直徑為300mm，內部直徑為100mm，厚度100mm，兩圓心垂直距離450mm，連接部分厚度50mm。其中包含一個直徑為20mm的配合用小孔，距離上部圓柱體圓心170mm；
所述著陸緩衝器為球體切除兩端的形狀，其結構輪廓可參考圖9，其採用複合結構內部鈦合金蜂窩芯構造，球體直徑700mm，寬度為450mm，兩側各有一個直徑為300mm，深度100mm的柱狀孔洞，中央有直徑為100mm的孔，並以此與緩衝器支架及從動支架金屬板配合；
所述爆炸螺栓，其結構輪廓可參考圖10，採用qj2246a-98標準，選擇有兩套獨立的起爆、傳爆元件，其中任意一套均能完成分離解鎖功能的雙元爆炸螺栓m20，承載能力為31～50kn；
所述液壓阻尼杆，其結構輪廓可參考圖11，頭部液壓缸長度為1800mm，直徑500mm，尾部儲油缸長度為1600mm，直徑450mm，總的配合長度為3900mm。頭尾部關節軸承的底部直徑350mm，寬度150mm，高度400mm，外圓弧直徑300mm，內孔直徑100mm；
所述各杆件之間的連接軸為定製產品，材料為鈦合金，根據孔徑尺寸製作；
其中，從動支架金屬板和整流罩固接件的數量是48個，鎖定器和整流罩的固接件數量是16個，阻尼杆用固接件的數量是16個，著陸緩衝器支架和從動支架金屬板固接件的數量是8個；
其中，火箭第一子級為非標零件，其材料為鋁合金2048，按需要尺寸定做；
其中，傳動系統為非標零件，其材料為鍛鋼，按需要尺寸定做；
其中，傳動軸為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，主動支架為非標零件，其材料為鋁合金2048，按需要尺寸定做；
其中，從動支架金屬板為非標零件，其材料為鋁合金2048，按需要尺寸定做；
其中，整流罩為非標零件，其材料為鋁合金2048，按需要尺寸定做；
其中，鎖定器為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，著陸緩衝器支架為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，著陸緩衝器為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，液壓阻尼杆為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，爆炸螺栓為雙元爆炸螺栓m20，採用qj2246a-98標準；
其中，各連接軸為非標零件，其材料為鈦合金，按需要尺寸定做；
其中，電機選型ytsz系列冶金及起重用變頻調速三相異步電機ytsz335l-4，直徑為710mm，長度為1580mm，額定轉矩2005.5n·m，最大轉矩/額定轉矩為3.5。
本火箭回收著陸裝置的工作原理：
當火箭第一子級返回地球時，主發動機在子級下降段再點火，調整著陸前姿態為垂直下落，下落速度較小，雙元爆炸螺栓任一起爆元件工作後，從動支架單元開始下落，支架打開，支架通過鎖定器完成在死點位置的固定後，火箭子級接近地面，安全著陸，當支架靠自身打不開時，電機工作，保證其打開。
3、優點及功效
本設計是一種火箭回收著陸機構的設計，具體是為了實現可重複使用火箭子級垂直返回時的著陸支架的設計，採用了安全穩定性更高，緩衝性能更強的四腿式構造，通過在著陸支架中採用內阻式液壓阻尼杆和著陸緩衝器的安排，充分達到火箭子級著陸時所需要的緩衝性能。以此方案設計的可重複使用運載火箭著陸支架佔用空間適中，緩衝性能優秀，安全性能高，結構簡單，成本較低，具有一定的實用價值。
(四)附圖說明
圖1為本設計一種火箭回收著陸裝置收攏和展開的整體結構示意圖；
圖2為本設計一種火箭回收著陸裝置支架整體示意圖；
圖3為本設計裝置電機傳動布置圖示意圖；
圖4為本設計裝置主動支架輪廓示意圖；
圖5為本設計裝置從動支架整體示意圖；
圖6為本設計裝置從動支架金屬板輪廓示意圖；
圖7為本設計裝置鎖定器輪廓示意圖；
圖8為本設計裝置著陸緩衝器支架輪廓示意圖；
圖9為本設計裝置著陸緩衝器輪廓示意圖；
圖10為本設計裝置雙元爆炸螺栓輪廓示意圖；
圖11為本設計裝置液壓阻尼杆輪廓示意圖；
圖中符號說明如下：
1火箭第一子級；2電機；3電機傳動系統；4傳動軸；5主動支架；6著陸緩衝器；7著陸緩衝器支架；8從動支架金屬板；9整流罩；10鎖定器；11液壓阻尼杆。
(五)具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本設計的實施方案。
見圖2，本設計一種火箭回收著陸裝置，它是由火箭子級、主動支架、從動支架、液壓阻尼杆四個部分組成，其中火箭子級包括：火箭第一子級1、電機2、電機傳動系統3三個部分；主動支架包括：傳動軸4、主動支架5兩個部分；從動支架包括：緩衝器6、緩衝器支架7、從動支架金屬板兩塊8、整流罩9、鎖定器10等部分，液壓阻尼杆11自身單獨作為一個部分，四個部分組成了一個曲柄機構，其中火箭子級為機架，主動支架為曲柄。
它們之間的位置連接關係是：首先固定火箭第一子級1，電機2與電機傳動系統3布置在火箭子級內部，之後通過轉動軸將液壓阻尼杆11和主動支架5的一端分別固定在火箭第一子級1的支架儲倉內部，採用輔助器械使其保持一定的角度，同時將兩片從動支架金屬板8與整流罩9通過連接螺栓固定成一個整體，將著陸緩衝器6與著陸緩衝器支架7連接成為一個整體，然後將鎖定器10與著陸緩衝器一起與從動支架金屬板和整流罩整體連接，形成完整的從動支架部件，再將從動支架依靠轉動軸連接在液壓阻尼杆11和主動支架5的另一端，通過輔助器械將著陸支架收起到鎖定位置，在鎖定器10上端與火箭第一子級1之間安裝雙元爆炸螺栓即完成單個著陸支架的裝配。子級火箭作為著陸支架所搭載的主體，在其下部支架倉位收納四個由主動支架，從動支架，液壓阻尼杆和整流罩等部件組成的著陸支架，火箭底部安裝可重複點火的發動機提供推力。具體的連接接觸情況可以參考圖1(a)支架收攏狀態、圖1(b)支架展開狀態、圖2著陸支架所示。
本火箭回收著陸裝置的工作流程具體如下：
(1)火箭子級1準備著陸，主發動機在子級下降段再點火，在剩餘推進劑的支持下完成減速過程；(2)火箭子級1在主發動機推力下進行減速下降到一定的高度，此時雙元爆炸螺栓收到分離解鎖信號，開始進行分離解鎖工作；(3)雙元爆炸螺栓任一起爆元件工作後，徹底分離火箭子級1和從動支架鎖定器10，從動支架金屬板8、著陸緩衝器支架7、整流罩9、鎖定器10、著陸緩衝器6等部件組合成的從動支架單元開始下落，此時火箭子級1收到主發動機推力，加速度垂直方向向上，而著陸支架部分失去鎖定用雙元爆炸螺栓開始在重力作用下進行展開運動；(4)由於著陸支架中的三個主要部分液壓阻尼杆、從動支架、主動支架都是對展開過程起積極作用的，故不發生意外支架能夠自由展開，當支架部件中遇到特殊情況卡住，則電機2開始工作，通過電機傳動系統3將為主動支架5提供扭矩，幫助支架完全展開。(5)支架通過鎖定器完成在死點位置的固定後，火箭子級接近地面，此時主發動機進行調速，將下落速度維持在5m/s，完成著陸。