[发明专利]陀螺舵重返大气层滑翔飞行器

说明书

技术领域：本发明涉及一种使用陀螺稳定空间方位并调整飞行姿态的、角位移扩散热应力的、漂浮滑翔式重返大气层飞行器。

背景技术：现有的重返大气层飞行器，为航天飞机或返回舱。航天飞机由于热应力过于集中等等问题，发展受到阻滞。返回舱严格说来不是飞行器，而是如陨石般地“硬重返”大气层，是坠落而不是飞行。

发明内容：本发明是要提供一种滑翔式飞行状态的重返大气层飞行器，它能够在返回大气层过程中漂浮式滑翔飞行，同时能够扩散热应力集中点，使得热应力不是在一段时间内固定在飞行器某些表面区域堆积，从而能够获得必要的对热应力进行降温的时间和空间。

本发明飞行器的外形为飞碟状或飞鱼状，剖面为流线形翼状形状，在空气中运动时，可以产生一定的升阻比。内部为有一对相反方向旋转的、同轴线的陀螺装置。设置一对同轴线反向旋转的陀螺，是要使陀螺在空间启动时，自身吸收反向扭矩，而不将扭矩传递给飞行器。根据飞行器自身质量和载荷质量的不同，此陀螺旋转时应该具有足够大的旋转动量。陀螺旋转轴线与飞行器几何轴线在某一点同心，见图1，这一点是固定点。为陀螺轴0轴上的0点，和飞行器轴0′轴上的0′点，这两点始终重合。两轴通过差动装置和传动装置连接。通过差动装置，可以调整两轴的夹角α角；通过差动装置，可以使0′轴围绕0轴旋转。由于0点和0′点固定重合，所以0′轴围绕0轴的旋转是行星状的摆动旋转。通过传动装置，可以使飞行器围绕自身0′轴慢速转动，或者角位移。

另建立一个惯性参照系e系，见图2，原点为地球中心点，e轴为地球自转轴，参照系中任意一点0点的位置，由0点所在的经度、纬度，及0点到e点的距离r确定。为便于叙述，将e点0点的连线方向称作垂直方向；与e0连线垂直的、过0点的平面称作水平方向。这不是一个严格的力学意义上的惯性系，谨以此作为本工程的工程惯性参照系。

在重返大气层的飞行过程中，飞碟状飞行器的运动过程是这样的，在陀螺启动并建立方位姿态后，通过使用差动装置调整飞行器自转轴0′轴与陀螺自转轴0轴的夹角α角、并使0′轴围绕0轴行星式转动，由于0点与0′点的重合，飞碟在空间是一个摆动旋转状态；同时通过传动装置，使飞碟飞行器自身围绕0′轴还有一个缓慢的自转。飞碟在空间是摆动旋转加自转。利用陀螺在惯性系中具有的保持轴向稳定性的特征，在陀螺转动惯量足够大的状态下，在e参照系中可以观测到，飞碟飞行器的运动状态是随自身的0′轴行星式摆动旋转加自转前进。

将以上几种运动姿态组合起来，形成飞碟飞行器在e系中的完整运动状态。就是，飞碟飞行器携带初始运动速度，在大气中行星式圆周摆动旋转地、自身自转地、受到地心引力地、受到空气阻力地、在大气中滑翔。在滑翔中，由于飞行器的圆周摆动，飞碟飞行器会受到周期性的左向、右向升阻力，这样从垂直方向看，飞行器的运动轨迹是右向、左向的蛇形运动；从水平方向看，由于飞碟飞行器受到周期性变化的升阻力，再叠加上地心的重力引力，飞碟飞行器的运动轨迹是向下的波浪形运动。

在重返大气层的飞行过程中，飞鱼状飞行器的运动过程是这样的，在陀螺启动并建立方位姿态后，通过使用差动装置调整飞鱼飞行器自转轴0′轴与陀螺自转轴0轴的夹角α角、并使0′轴围绕0轴行星式转动，由于0点与0′点的重合，飞鱼飞行器在空间是一个摆动旋转状态；同时通过传动装置，使飞鱼飞行器自身围绕0′轴还有一个往复角位移β，图3，使得飞鱼飞行器的飞行前缘始终是ab弧上的某个点。

将以上几种运动姿态组合起来，形成飞鱼飞行器在e系中的完整运动状态。就是，飞鱼飞行器携带初始运动速度，在大气中行星式圆周摆动旋转地、自身往复角位移地、受到地心引力地、受到空气阻力地、在大气中滑翔。

由于有一个尾翼，飞鱼飞行器会比飞碟飞行器具有更好的在大气中的滑翔稳定性。

飞碟飞行器与飞鱼飞行器所不同的，是飞碟围绕自身0′轴旋转，而飞鱼围绕自身0′轴往复角位移。飞行姿态和轨迹都是一样的。