[发明专利]运载火箭子级回收着陆系统及方法

说明书

本发明涉及运载火箭技术领域，具体涉及一种运载火箭子级回收着陆系统及方法，运载火箭子级回收着陆系统包括：回收着陆装置，设置在地面或船上，回收着陆装置包括着陆缓冲机构；火箭发动机，设置在火箭子级上，火箭发动机设有多台，用于控制火箭子级进行减速；推力矢量控制装置，用于改变火箭发动机的推力方向；惯性测量系统，用于实时测量火箭子级的姿态和位置；GPS系统，用于实时测量火箭子级的位置；RCS反作用控制系统，设置在火箭子级上，火箭子级在进入大气层之前，RCS反作用控制系统使火箭子级在再入段之前翻转及着陆目标瞄准；气动舵，设置在火箭子级上；箭载计算机，设置在火箭子级上。

技术领域

本发明涉及运载火箭技术领域，具体涉及一种运载火箭子级回收着陆系统及方法。

背景技术

大多数的运载火箭包括多个火箭子级，每一个火箭子级都装有发动机和燃料，目的是为了提高火箭的连续飞行能力与最终速度。从尾部最初一级开始，每个火箭子级的燃料用完后自动脱落；脱落后进入到火箭子级返回过程，火箭子级返回过程指的是沿其飞行轨道直接进入、或者离开它原来飞行的轨道沿转变后的轨道进入地球的大气层，并通过大气层中的大气减速，安全降落在地球上的过程。

子级返回过程是一种人为的、有目的的和受控的过程，一旦返回过程受控，实际上也就改变了其原始的飞行轨道，而是沿转变后的轨道返回。子级返回过程一般可分为如下几个阶段：1)子级分离段，从分离开始到子级离开运载火箭结束，也可能要求子级离开火箭某一安全距离为止，分离点的位置、速度、姿态角、分离角速度、分离安全距离等构成子级飞行轨道要素；2)转入返回轨道的过渡段，为从分离结束到进入地球稠密大气层之前的被动段，地球高真空(稀薄大气)大气层高度一般取80km-120km，过渡段运行轨道一般不加以控制，因此属于大气层外自由下降段，由于冲高惯性，所有子级包括一子级都可能具有高真空过渡段；3)再入大气层(或再入段)，在高真空中下降运动的过渡段是一条开普勒轨道，当下降到气动作用明显(例如，气动力达到重力的1％)的区域时，返回器的运动就开始偏离开普勒轨道，此时就进入了大气层再入段。再入点为再入段的起点，也是气动力起明显作用的稠密大气层的最高点，对于降落伞着陆系统垂直着陆的子级，其再入段是从再入点减速下降到降落伞着陆系统开始工作的这一段轨道，该段从子级开始进入大气层起，至离地面10km-20km高度处止，子级再入段中一般要经受严重的气动力加热和较大的过载考验，因此，再入段的轨道研究是返回轨道研究中的重点；4)转入返回轨道的着陆段，该段为利用常规减速装置(一般为降落伞或可控翼伞)和其它减速器(气动减速器、可控推力减速火箭发动机)使返回器安全降落在地球表面的终段轨道。以降落伞为例，其在10km-20km以下的高度开始工作，一般是采用两级减速：先在12km-7km的高度打开一个面积很小的减速伞，将返回器初步减速，然后在7km-3km的高度打开面积较大的主伞，保证返回器以安全速度着陆。对于无人的飞行器，着陆速度允许到15m/s。总之，要完成子级返回过程，需要好几个专用的系统和若干设备，返回过程遇到的环境条件比发射过程和运行过程复杂和恶劣，只有从发射、分离、返回、再入大气层、着陆到发现找回的每一个过程或过程中的每一个环节的工作都正常，子级返回任务才算成功。

弹道及弹道-升力式再入航天器在再入过程，在气动阻力作用下急剧减速。一般在15km左右的高度，其速度可减小到声速；再继续下降，返回舱的速度将逐渐趋于稳定下降速度，保持在100-200m/s左右，此时，如果不进一步采取减速措施，则返回器将以大于等于100m/s的速度冲向地面而坠毁。因此，在着陆之前还需要有一套着陆减速装置或减速器，将子级进一步减速到安全着陆速度。

垂直返回是为解决运载火箭重复使用而提出的一种回收技术，其工作原理是这样的：火箭子级在完成任务后，通过自身携带的控制系统和动力装置，按照设定的轨迹自主飞回着陆场，并以垂直的箭体姿态缓慢稳定地降落到指定着陆场。相比于有翼重复使用助推器水平着陆方式，垂直返回对火箭外形及总体布局影响较小。