[发明专利]一种具有姿控和轨控冗余设计的返回式飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及返回式飞行器。更具体地，涉及一种具有姿控和轨控冗余设计的返回式飞行器。

背景技术

姿控发动机布局设计是返回式飞行器结构设计的重要内容。在返回式飞行器设计中，一方面要考虑姿控冗余，即在一组姿控发动机失效的情况下可以利用备份姿控发动机实现姿态控制，另一方面要考虑轨控冗余，即在轨控发动机失效的情况下，可以利用部分姿控发动机，在不影响姿控效果的前提下实现轨道控制。

以往的方法中，一种是例如多用途载人飞船(MPCV)的姿控发动机布局方法，该布局方法是返回舱普遍采用的经典布局方法，其在返回舱的背风面安装了12姿控发动机，其中4台控制滚转，4台控制偏航，4台控制俯仰，具有较强的姿控冗余能力。

另外一种常见的姿控发动机布局如图1所示。在飞行器的尾部布置了六台姿控发动机，其中1#、2#、3#发动机为一组，4#、5#、6#发动机为一组，分别安装在+Y轴和-Y轴处。其中1#、3#、4#、6#发动机控制滚转和偏航，而2#、5#号发动机控制俯仰。

以上的技术方案中，阿波罗返回舱在设计时侧重于姿态控制的冗余性，并不具备轨控冗余的能力。而六姿控发动机在1#、3#、4#、6#姿控发动机有一个发生故障的情况下，可以实现一定程度的姿控冗余，然而，若2#或者5#姿控发动机发生故障，则无法实现俯仰通道的控制；当轨控发动机故障时，无法提供轨控推力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有姿控和轨控冗余设计的返回式飞行器，解决传统姿控发动机布局无法满足冗余备份要求的要求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有姿控和轨控冗余设计的返回式飞行器，包括：飞行器本体以及设置在飞行器本体上的姿控发动机，所述姿控发动机的数量为12台，且以3台为一组呈T型均匀布置在飞行器本体的外周面上。

优选地，在圆周上相对的两组姿控发动机作为主份姿控系统，另一相对的两组姿控发动机作为备份姿控发动机，所述主份自控系统和备份姿控系统均通过自锁阀进行控制。

优选地，四组姿控发动机布置在飞行器本体的尾部，第一组姿控发动机包括第1、2、3姿控发动机，第一组姿控发动机布置在返回式飞行器本体坐标系的(-L，R，0)位置，第二组姿控发动机包括第4、5、6姿控发动机，第二组姿控发动机布置在返回式飞行器本体坐标系的(-L，0，R)位置，第三组姿控发动机包括第7、8、9姿控发动机，第三组姿控发动机布置在返回式飞行器本体坐标系的(-L，-R，0)位置，第四组姿控发动机包括第10、11、12姿控发动机，第四组姿控发动机布置在返回式飞行器本体坐标系的(-L，0，-R)位置，L为姿控发动机安装平面与质心的距离，R为姿控发动机喉管与返回式飞行器X轴的距离。

优选地，第2、5、8、11姿控发动机朝向-X轴方向，第1、9姿控发动机朝向-Z轴方向，第3、7姿控发动机朝向Z轴方向，第4、12姿控发动机朝向Y轴方向，第6、10姿控发动机朝向-Y轴方向。

本发明的有益效果如下：

本发明的返回式飞行器可以用在轨道坐标系下的导航姿态θ_o，Ψ_o，γ_o，能否稳定跟踪指令姿态来考察姿控效果，而用需要速度减量来考察轨控效果。在正常情况下，在姿控发动机的控制下，导航姿态可以跟踪指令姿态，在轨控发动机的开机下，需要速度减量一直降低。

首先考虑姿控故障条件下的控制效果。考虑这样一种情况，在离轨制动的第50s，突然有一个姿控发动机失效，现有技术中的“六姿控发动机”方案以及本姿控发动机布局方案的效果：

图2和图3中Rz1～Rz12分别表示1#姿控发动机到12#姿控发动机，Rg表示轨控发动机，Rzsf1～Rzsf3分别表示1#自锁阀到3#自锁阀。

由图2-7可知，在50s有一个姿控发动机失效的情况下，现有的六姿控发动机飞行器姿态角无法跟踪指令姿态角，姿控失败，需要速度减量无法进一步下降，轨控失败。而本发明采用的十二姿控发动机飞行器，在50s发现5#姿控发动机失效后，立刻关闭其对应的2#自锁阀，采用(1,2,3)，(7,8,9)六个姿控发动机实施姿态控制，姿态角依旧可以稳定跟踪指令姿态，轨控发动机可以正常开机，需要速度减量持续下降，实现了在个别姿控发动机故障情况下的正常离轨制动。