[发明专利]一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统

说明书

本发明的目的是提供一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，该系统适用于在着陆阶段捕获和减速缓冲各类型可重复使用火箭，可保证非理想着陆状态火箭回收着陆过程的安全稳定；该系统将一根回收索编织成捕获框，并利用电机驱动捕获框主动地跟随并捕获着陆火箭，扩大了火箭着陆点偏差和着陆姿态角偏差范围，降低了对箭上导航制导控制系统的技术要求。针对特定的着陆火箭，根据所述设计方法修改凸轮的形状可实现火箭减速缓冲的目标运动学特性。该系统可以通过调节捕获索框的大小和调整减速缓冲系统能力对不同的着陆火箭进行回收。该系统具有结构简单易实现、普适性良好和技术难度低的特点，有利于提高火箭回收的成功率，实现一种鲁棒性回收。

技术领域

本发明涉及一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，属于航空航天领域。

背景技术

回收并重复使用火箭能够极大地降低火箭发射和探索太空的成本。自上世纪50年代以来，国内外航天人逐渐将火箭回收技术作为研究热点，探索了多种火箭回收方案。在美国SpaceX的猎鹰9成功地回收火箭的一级部段并重复使用后，着陆腿式垂直回收方案成为了多数航天机构的主要回收方式。然而，这种回收方式的成功需要火箭严格地以垂直姿态、零横向速度和零垂直速度到达着陆平台。为了达到这一要求，火箭的软硬件配套设施需要满足：火箭的发动机需要具有大幅推力调节和多次开关机的能力、导航制导系统具有高精准的软硬件支持和着陆支腿应具有大跨度支撑防倾倒能力和较强的缓冲能力。着陆状态的严格要求和软硬件高技术难度导致了猎鹰9一级回收失败90％以上发生在着陆段，也限制了我国关于着陆腿式垂直回收方案研究的开展，因此有必要自主创新地提出我国的火箭回收方案，推进可重复使用航天运载系统的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，该系统适用于在着陆阶段捕获和减速缓冲各类型可重复使用火箭，可保证非理想着陆状态火箭回收着陆过程的安全稳定；该系统将一根回收索编织成捕获框，并利用电机驱动捕获框主动地跟随并捕获着陆火箭，扩大了火箭着陆点偏差和着陆姿态角偏差范围，降低了对箭上导航制导控制系统的技术要求。捕获到的火箭可以具有一定的着陆残余能量，这部分着陆残余能量将被索连接的液压缓冲减速装置被动地转化和消耗直至火箭静止稳定，从而降低对发动机的技术要求和对着陆腿缓冲能力的要求。在火箭减速缓冲阶段，为了使火箭减速缓冲的运动学特性满足火箭安全着陆的要求，提出了一种基于系统动力学模型的液压缓冲减速装置的凸轮形状反问题设计方法，利用系统的动力学模型，将所需的火箭着陆运动学曲线转换为减速缓冲力曲线，并利用最小二乘法获得凸轮形状，实现火箭减速缓冲运动学特性可设计的特性。针对特定的着陆火箭，根据所述设计方法修改凸轮的形状可实现火箭减速缓冲的目标运动学特性。另外，在着陆火箭的重心上方布置可展开挂钩，用于悬挂捕获着陆火箭在地面回收装置上，使在整个回收过程中火箭呈现单摆构型，保证回收过程的稳定性。该系统可以通过调节捕获索框的大小和调整减速缓冲系统能力对不同的着陆火箭进行回收。该系统具有结构简单易实现、普适性良好和技术难度低的特点，有利于提高火箭回收的成功率，实现一种鲁棒性回收。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种火箭着陆回收系统，包括：地面回收装置、跟随捕获控制系统、液压缓冲减速装置和火箭挂钩装置；

地面回收装置用于捕获火箭，包括支架、导轨、滑块、滑轮和一根回收索组成。导轨位于支架上方，连接成用于回收索运动的区域；一根回收索编制成网状结构，用于火箭回收的区域位于所述结构中；所述结构通过滑块、滑轮实现在导轨上的移动；

跟随捕获控制系统用于控制回收索的移动；

液压缓冲减速装置固定在地面上并与回收索连接，用于对待回收火箭进行减速；

火箭挂钩装置安装在待回收火箭外壳；