專利名稱：一種再入充氣罩的制作方法
技術領域：
本發明涉及現代航空航天領域，具體為一種用于再入飛行器回收的再入充氣罩。
背景技術：
航天器回收技術是一門涉及多學科的綜合性應用技術，近些年來，隨著航天事業的發展與進步，對氣動力回收技術的研究已從傳統意義上的降落傘技術領域擴展為柔性可展開式氣動力減速領域。最具代表性的是俄羅斯正在研究的可充氣再入與降落技術。該項技術的特點是，在航天器的發射和在軌運行階段，巨大的柔性可充氣防護罩被包裝壓縮成很小的體積，放置在返回艙內；在返回艙再入大氣層以后，利用艙內的充氣裝置迅速對防護罩充氣，形成一個巨大的錐形防護罩，將返回艙包裹在罩內，該防護罩具有優于降落傘系統的良好防熱和氣動減速功能，可使返回艙以安全的速度下落。該項技術具有結構簡單，質量輕，回收費用較低的特點。2000年2月9日，俄羅斯的Lavotchkin公司在位于哈薩克斯坦·境內的拜科努爾發射場，成功地驗證了該項技術。但是，Lavotchkin公司設計的防護罩為了實現變軌和姿態控制，裝有復雜的發動機，重量和體積都很大。在此背景下，本發明提出了一種可控方向的再入充氣罩，該充氣罩的倒錐形的減速罩由特殊防熱材料制成，可以同時起到減速，防熱及著陸緩沖作用。此外，應用本發明后，能夠在沒有附加多余動力裝置的前提下，通過改變充氣氣囊的大小來產生所需的不對稱的空氣動力，從而控制回收系統的運行姿態和下落軌跡，提高回收系統的落點精度。
發明內容為了克服現有技術中存在的不能實現姿態控制的不足，本發明提出了一種再入充氣罩。本發明包括四個充氣氣囊、減速罩、儀器艙3、返回艙、空氣壓縮機以及配套的控制系統；其中充氣氣囊和減速罩均為充氣式；減速罩為錐頂角為120°的倒錐形，在該減速罩內表面的中心有儀器艙；返回艙位于儀器艙內；空氣壓縮機和控制系統自下而上的安放在返回艙內；空氣壓縮機總閥門通過充氣管道分別與充氣氣囊充氣口和減速罩充氣口連通；充氣氣囊有4個，均為能夠充氣的球形；4個充氣氣囊均勻分布并固定在減速罩外緣處；所述充氣氣囊和減速罩均選用柔性防熱材料，自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的0% 5%處的柔性防熱材料中的隔熱層為四層；自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的90% 100%處的柔性防熱材料中的隔熱層為二層；該減速罩其余部分柔性防熱材料中的隔熱層為一層；制作充氣氣囊的柔性防熱材料中的隔熱層為二層；在儀器艙頂部固定有一個壓力傳感器；在四個充氣氣囊與減速罩內表面交界面處各固定一個壓力傳感器；各傳感器的輸出端口通過導線與控制系統的輸入端口相連，所用導線緊緊粘貼在充氣管道外表面或再入充氣罩的內表面。所述充氣氣囊的橫截面為大半圓形，該充氣氣囊平面處的外表面與減速罩的外表面粘合在一起。在四個充氣氣囊與減速罩連接處均有充氣氣囊充氣口 ；在四個充氣氣囊上部的外表面均有充氣氣囊排氣口 ；在減速罩中心的儀器艙的兩側對稱分布有2個減速罩充氣口和2個減速罩排氣口 ；各電磁閥門分別安裝在所述各充氣氣囊充氣口、充氣氣囊排氣口、減速罩充氣口和減速罩排氣口的充氣管道上，控制系統通過導線控制所述各電磁閥門工作；空氣壓縮機通過充氣管道與各電磁閥門連接。本發明包括主要用于防熱，減速，和著陸/著海減振的倒錐形的充氣減速罩，主要用于控制下落姿態和軌跡的圓球形的充氣氣囊，以及相應的充氣機構等三大部分。充氣減速罩剛開始折疊在儀器艙的下部，充氣后呈倒錐形，包裹在整個回收系統的外圍，確保其安全返回。四個充氣氣囊未充氣時緊緊粘貼于倒錐形減速罩的外緣四個方位，可根據需要對其充氣以產生所要的空氣動力。充氣減速罩由柔性的防熱材料構成，這些材料具有輕質，柔性，可折疊，氣密性好以及耐高溫的特點。由于充氣結構要在空間中展開使用，所以首先它應該能滿足空間環境·條件的要求(I)質量輕，降低航天發射的費用；(2)柔性，滿足在空中展開的要求；(3)耐高溫，能夠適應高空中太陽輻照的影響，尤其是在回收防熱罩上，通常在充氣展開結構的外層是一防熱涂層；(4)抗輻射，能夠較好地抵抗深空中的大量高能粒子和電荷對充氣薄膜材料帶來的輻射損傷，減緩其性能退化；(5)氣密性好，在高空能夠順利充氣展開而不需要經常充氣；(6)易剛化，是目前解決充氣展開結構氣體泄露的理想方法，同時也提高了充氣展開結構的剛度和空間穩定性。考慮以上幾點要求，柔性防熱材料采用多層防熱結構，從外到內依次為防熱層，隔熱層，阻氣層。防熱層位于最外面，承受最高的溫度，主要用來阻隔熱流，防熱層使用高強輕質的Al2O3纖維。中間的隔熱層承受的溫度較低，主要用來防止熱量向內部傳遞，使用碳纖維隔熱氈布。阻氣層用來防止氣體滲漏，保持充氣結構的形狀，使用聚酰亞胺薄膜。本發明根據減速罩所承受的氣動熱的大小選擇不同的材料和層數，提高了充氣減速罩的安全性。初始時減速罩折疊在返回艙外圍，所占體積非常小，在進入大氣時能夠快速充氣展開為巨大的倒錐形，包裹著返回艙，同時起著氣動減速和防熱的作用，直到返回艙安全著陸或安全漂浮于水面。在著陸時，減速罩起著充氣緩沖墊的作用，吸收、耗散著陸或濺落的能量沖擊，確保了返回艙的安全回收。圓球形充氣氣囊的材料為外加有防熱涂層的彈性編織物，強度和韌性較好。充氣氣囊一共有四個，分別對稱地布置在充氣減速罩外緣的四個方位，充氣氣囊各處的連接均需要密封處理。從制造及實現的簡單性方面考慮，將充氣氣囊設計成沒有尖角的光滑的圓球形。從穩定性及可靠性方面考慮，圓球形充氣氣囊的直徑與倒錐形外緣圓面直徑的比值約為O. I O. 3，各充氣氣囊共用一套充氣系統，故本回收系統只需設計安裝一套空氣壓縮機。每個充氣氣囊都有獨立的進排氣口及其控制裝置。充氣氣囊不工作時緊貼于減速罩外緣的相應位置處，需要時可迅速充氣形成球形充氣氣囊，通過影響流場獲得操縱返回艙姿態和軌跡的氣動力。四個充氣氣囊的工作與否取決于預定的返回艙的運動軌跡，當返回艙需要偏轉時，控制系統可根據偏轉方向經過分析后合理選取需要的充氣氣囊進行充氣，因為產生的空氣動力和力矩不對稱，從而引起整個系統的偏轉，進而控制返回艙的運動軌跡。此外，充氣氣囊也會產生阻力，一定程度上也起到了減速作用。
圖I是四個充氣氣囊充氣后的再入充氣罩的正視圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是再入充氣罩內部空氣壓縮機管道及結構示意圖；圖4是防熱材料結構示意圖；圖5是整個再入充氣罩未工作時的包裝圖；圖6是充氣氣囊與減速罩的接合面示意圖；圖7是驗證算例中打開三個充氣氣囊后整個再入充氣罩的正視圖；圖8是圖7的俯視圖；圖9是三個充氣氣囊行充氣后的阻力系數隨高度變化圖；圖10是三個充氣氣囊充氣后的力矩系數隨高度變化圖；其中I.充氣氣囊 2.減速罩 3.儀器艙 4.返回艙 5.空氣壓縮機6.充氣管道 7.控制系統8.有效回收載荷 9充氣氣囊充氣口10充氣氣囊排氣口11.減速罩充氣口 12.減速罩排氣口13.空氣壓縮機總閥門14.電磁閥門15.防熱層16.隔熱層17.阻氣層
具體實施方式
本實施例是一種用于航天器回收的再入充氣罩，在再入過程中利用充氣形成的氣動外形，為被回收物體提供用于減速的阻力以及用于控制姿態的力矩。本實施例包括四個充氣氣囊I、減速罩2、儀器艙3、返回艙4、空氣壓縮機5以及配套的控制系統。其中充氣氣囊I和減速罩2均為充氣式。減速罩2為倒錐形，錐頂的內角為120度，在該減速罩2內表面的中心有儀器艙
3。所述儀器艙3與減速罩2為一個整體。返回艙4位于儀器艙3內。有效回收載荷8、空氣壓縮機5和控制系統7自下而上的安放在返回艙4內。空氣壓縮機總閥門13通過充氣管道6分別與充氣氣囊充氣口 9和減速罩充氣口 11連通。如圖3所示。充氣氣囊I有4個，均為能夠充氣的球形；4個充氣氣囊I均布在減速罩外緣處。所述充氣氣囊I的橫截面為大半圓形，該充氣氣囊平面處的外表面與減速罩的外表面粘合在一起，如圖7所示。所述充氣氣囊I和減速罩2均選用柔性防熱材料，該柔性防熱材料的結構根據氣動熱的大小選擇不同的材料和層數。從外到內依次為防熱層15、隔熱層16和阻氣層17，如圖4。防熱層位于最外面，承受最高的溫度，主要用來阻隔熱流，防熱層采用美國3M公司研制的Nextel系列纖維，厚度約O. 31_。中間的隔熱層承受的溫度較低，主要用于防止熱量向內部傳遞，采用Pyrogel公司生產的碳纖維隔熱租布,每層厚度為O. 86mm,根據該減速罩不同部位的氣動熱確定所用層數。阻氣層用來防止氣體滲漏，保持充氣結構的形狀，采用DuPont公司生產的聚酰亞胺薄膜,厚度為O. 18mm。各層材料之間粘合。本實施例中的減速罩采用倒錐形，由于倒錐形減速罩不同部位的氣動熱差別較大，因此不同區域的柔性防熱材料中隔熱層的厚度不同。自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的0% 5%處的柔性防熱材料中隔熱層為四層；自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的90% 100%處的柔性防熱材料中隔熱層為二層；該減速罩其余部分柔性防熱材料中的隔熱層為一層。制作充氣氣囊I的柔性防熱材料中的隔熱層為二層。儀器艙3頂部通過螺栓固定一個壓力傳感器；四個充氣氣囊與減速罩內表面交界面處通過螺栓各固定一個壓力傳感器；所用五個傳感器均采用上海思帝測量系統有限公司生產的118系列通用壓力傳感器。各傳感器的輸出端口通過導線與控制系統的輸入端口相連，所用導線緊緊粘貼在充氣管道外表面或再入充氣罩的內表面。在四個充氣氣囊與減速罩連接處均有充氣氣囊充氣口 9 ;在四個充氣氣囊上部的外表面均有充氣氣囊排氣口 10。在減速罩中心的儀器艙3的兩側對稱分布有2個減速罩充氣口 11和2個減速罩排氣口 12。各電磁閥門14分別安裝在所述各充氣氣囊充氣口 9、充氣氣囊排氣口 10、減速罩充氣口 11和減速罩排氣口 12的充氣管道6上，控制系統7通過導線控制所述各電磁閥門14工作。空氣壓縮機5通過充氣管道6與各電磁閥門14連接。 控制系統7采用現有技術。該控制系統7的核心部件為PLC控制器，采用日本三菱公司所生產的FX3U型，該控制器的各輸入端口通過導線分別與各壓力傳感器的輸出端口連接；控制器的各輸出端口通過導線分別與各閥門連接。控制器根據壓力傳感器提供的信號控制電磁閥門14的開啟與閉合，從而實現對減速罩和充氣氣囊充氣，排氣的控制。當通過本發明回收有效載荷8時，控制系統4在預定高度將折疊狀的減速罩打開，空氣壓縮機5通過減速罩充氣口 11迅速給減速罩充氣。充氣后的倒錐形減速罩覆蓋并保護有效載荷8，使整個回收系統沿著預定軌道安全減速下降。由于有效載荷裝在倒錐形的底部，所以整個回收系統穩定地呈羽毛球狀安全減速下降。在下降過程中依據需要，壓力傳感器提供信號，控制系統分析后通過控制閥門充氣或排氣調節減速罩內部壓力。同時，下降過程中根據需要對減速罩數次充氣以增加迎風阻力面積，最終以安全著陸速度撞擊陸地或濺落海洋中，下降過程中通過傳感器隨時監控，保證減速罩按預定狀態工作。圓球形充氣氣囊所用材料同減速罩相同，采用兩層隔熱層。充氣氣囊未充氣時緊緊粘貼于減速罩外緣的相應位置處，充氣氣囊各處的連接均需要密封處理，在交界面處要粘貼牢固，并用螺帽加固處理。在降落過程中，控制系統通過密切監視著返回艙的運動軌跡，當需要產生偏轉時，控制系統可通過打開不同方位的充氣氣囊，或是通過控制充氣氣囊的充氣量來產生需要的空氣動力。空氣壓縮機5位于儀器艙3內部，所儲存的氣體為惰性氣體氦氣，排氣量為300L/min，輸出壓力為I. OMPa。將控制系統的輸出端口與空氣壓縮機5的總閥門13通過導線連接，再將總閥門13與各電磁閥門14通過充氣管道6連接。充氣管道6采用柔性橡膠管道，內徑為23mm，具有密封性，能夠承受I. 5MPa的內壓。充氣氣囊各充排氣口上均裝有電磁閥門14，電磁閥門直接安裝在管道6上，由控制系統7控制閥門的開啟或閉合。各處的連接均需密封處理。充氣氣囊排氣口 10作為排氣出口無需與其它設備連接。充氣氣囊I的充、排氣過程由電磁閥門14控制，沒有電壓時電磁閥門14處于打開狀態。在充氣氣囊I充氣時，控制系統7使總閥門13打開，斷開充氣口上電磁閥門14的電源使充氣口打開，接通出氣口上電磁閥門14的電源，出氣口關閉；充氣氣囊I排氣時，充氣口上的電磁閥門14閉合，出氣口上的電磁閥門14打開。例如，當控制系統分析需要調整減速罩的姿態，使處于X負方向一側的減速罩向上偏轉時，通過空氣壓縮機對減速罩迅速充氣，并通過電磁閥門14打開位于X負方向的一個充氣氣囊和位于減速罩軸線上的兩個充氣氣囊的充氣口，對所述三個充氣氣囊充氣，以實現調整減速罩的姿態。通過數值模擬充氣氣囊充氣前后的氣動力數據能夠看出，當充氣氣囊的打開會增加阻力，可起到減速作用；同時，充氣氣囊打開后產生的不對稱空氣動力會引起減速罩姿態的變化，從而調整整個回收系統運動軌跡。再加上控制系統的實時監控與分析計算，不斷根據需要通過電磁閥門調節充氣氣囊的工作狀態，以使整個系統按預定軌道安全返回。本實施例中，減速罩外形尺寸為減速罩2的外徑為3000mm，減速罩2的內徑為2550mm，減速罩2錐形的錐頂角為120° ;儀器艙3的外徑為270mm ;充氣氣囊I的外徑為600mm ;減速罩2錐頂外表面至儀器艙3頂端的距離為1600_。表I和表2是數值模擬某返回艙返回過程的部分數據，該表對比了僅對減速罩充氣以及對對處于X負方向一側的充氣氣囊和處于再入充氣罩軸線上的充氣氣囊充氣后的空氣動力變化。通過表中數據看出，本發明能夠產生較大的空氣動力，實現預定的減速及姿態和軌跡控制功能。 表I :返回過程不同高度來流參數
H，KmV，m/sP，kg/m3T，kP，paMa
10077705.6041E-07 195.00.032027.7529
9075783.4163E-06 186.80.183627.6556
807017I.8458E-05 198.6I.052524.8379
7057308.2829E-05 219.55.220919.2907
6037123.0968E-04 247.021.958711. 7825
5017541.0269E-03 270.679. 77915. 3189
405973.9957E-03 250. 3287. 1441.8823
301941.8410E-02 226. 51197.030.6431
20898.8910E-02 216.65529. 310.3017
10364.1351E-01 223.226499.90. 1202
~934Γ24.6706E-01 229. 730800. 70.1126
~832765.2579E-01 236.235651.60. 1058
~30 85.9002E-01 242. 741105. 30.098權利要求1.一種再入充氣罩，其特征在于，包括四個充氣氣囊、減速罩、儀器艙、返回艙、空氣壓縮機以及配套的控制系統；其中 充氣氣囊和減速罩均為充氣式；減速罩為錐頂角為120°的倒錐形，在該減速罩內表面的中心有儀器艙；返回艙位于儀器艙內；空氣壓縮機和控制系統自下而上的安放在返回艙內；空氣壓縮機總閥門通過充氣管道分別與充氣氣囊充氣口和減速罩充氣口連通；充氣氣囊有4個，均為能夠充氣的球形；4個充氣氣囊均勻分布并固定在減速罩外緣處； 所述充氣氣囊和減速罩均選用柔性防熱材料，自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的0% 5%處的柔性防熱材料中的隔熱層為四層；自減速罩錐形頂端向減速罩外緣方向的90% 100%處的柔性防熱材料中的隔熱層為二層；該減速罩其余部分柔性防熱材料中的隔熱層為一層；制作充氣氣囊的柔性防熱材料中的隔熱層為二層；在儀器艙頂部固定有一個壓力傳感器；在四個充氣氣囊與減速罩內表面交界面處各固定一個壓力傳感器；各傳感器的輸出端口通過導線與控制系統的輸入端口相連，所用導線緊緊粘貼在充氣管道外表面或再入充氣罩的內表面。
2.如權利要求I所述再入充氣罩，其特征在于，所述充氣氣囊的橫截面為大半圓形，該充氣氣囊平面處的外表面與減速罩的外表面粘合在一起。
3.如權利要求I所述再入充氣罩，其特征在于，在四個充氣氣囊與減速罩連接處均有充氣氣囊充氣口 ；在四個充氣氣囊上部的外表面均有充氣氣囊排氣口 ；在減速罩中心的儀器艙的兩側對稱分布有2個減速罩充氣口和2個減速罩排氣口 ；各電磁閥門分別安裝在所述各充氣氣囊充氣口、充氣氣囊排氣口、減速罩充氣口和減速罩排氣口的充氣管道上，控制系統通過導線控制所述各電磁閥門工作；空氣壓縮機通過充氣管道與各電磁閥門連接。
專利摘要一種再入充氣罩，4個充氣氣囊均勻分布并固定在減速罩外緣處。在該減速罩內表面的中心有儀器艙。返回艙位于儀器艙內。空氣壓縮機和控制系統自下而上的安放在返回艙內。在所述再入充氣罩上分布有多個排氣口和充氣口，在各排氣口和充氣口上均安裝有電磁閥門；空氣壓縮機通過充氣管道與各電磁閥門連接。在需要調整再入充氣罩姿態時，通過控制系統對選定的充氣氣囊充氣，通過影響流場獲得操縱返回艙姿態和軌跡的氣動力，使產生的空氣動力和力矩不對稱，從而實現對再入充氣罩姿態的調整，進而控制返回艙的運動軌跡。本實用新型具有結構簡單，安全可靠的特點。
文檔編號B64G1/62GK202717036SQ20122033205
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者葉正寅, 張慶, 華如豪, 李偉杰, 呂廣亮 申請人:西北工業大學