一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的制作方法
1.本發(fā)明屬于飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置。
背景技術(shù)：
2.近年來，衛(wèi)星發(fā)射、空間站建設(shè)、太空維護(hù)與救援、深空探測等航天活動(dòng)的“井噴式”發(fā)展離不開航天運(yùn)載技術(shù)的進(jìn)步。為了獲得更大的運(yùn)載能力，世界各國的運(yùn)載火箭大多采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的工作方式，如美國的“土星”5號(hào)火箭、蘇聯(lián)的“能源號(hào)”火箭、歐空局的“阿里安
”?
5火箭、日本的h-iia火箭以及我國的“長征”5號(hào)火箭等。對(duì)于以多噴管動(dòng)力系統(tǒng)為特征的多發(fā)并聯(lián)運(yùn)載火箭，多股噴流相互干擾形成的尾焰流場極為復(fù)雜，在點(diǎn)火發(fā)射之后，隨著飛行高度的增加，大氣壓力逐漸降低、噴流膨脹角不斷增大，運(yùn)載火箭底部流動(dòng)分為起飛、引射、回流和阻塞等4個(gè)典型階段，不同階段的底部流場結(jié)構(gòu)對(duì)于運(yùn)載火箭底部阻力的影響規(guī)律有著明顯的差異。通常情況下，底部阻力約占運(yùn)載火箭整體阻力的十分之一以上，為了減小推進(jìn)劑的重量占比，降低發(fā)射成本，提高運(yùn)輸效率，如何結(jié)合底部流動(dòng)，針對(duì)性的發(fā)展運(yùn)載火箭底部減阻增推技術(shù)是新一代運(yùn)載火箭需要著重考慮的問題。
3.對(duì)于帶有多噴管動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)載火箭飛行器，底部流動(dòng)涉及可壓分離流、湍流、激波、膨脹波、剪切層之間的相互干擾以及不同介質(zhì)氣流的相互作用，根據(jù)噴流出口壓力與大氣壓力的關(guān)系，運(yùn)載火箭飛行器底部阻力問題可分為減阻和增推兩個(gè)方面，其中在大氣壓力大于噴流出口壓力的低空飛行階段，噴流引射作用將周圍空氣吸入底部形成負(fù)壓而增加底部阻力，而在大氣壓力小于噴流出口壓力的高空飛行階段，噴流邊界膨脹并形成回流沖擊而產(chǎn)生推力。低空減阻的重點(diǎn)在于抑制噴流引射作用，典型的減阻措施為設(shè)計(jì)多級(jí)臺(tái)階底座，高空增推的重點(diǎn)在于增加底部面積，典型的增推措施為設(shè)計(jì)裙式底座。上述兩種方案盡管具有一定的減阻增推作用，但存在適用范圍有限，綜合收益有限的問題，因此，如何結(jié)合底部流動(dòng)特點(diǎn)，提出在整個(gè)飛行階段都具有明顯減阻增推作用的新型控制裝置就成為新一代運(yùn)載火箭底部設(shè)計(jì)技術(shù)研究的重要方向之一。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明針對(duì)新一代大中型運(yùn)載火箭飛行器，在保證現(xiàn)有底部結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合整個(gè)飛行過程中的底部流動(dòng)變化特點(diǎn)，為了提高運(yùn)載火箭底部減阻增推的效果，發(fā)明了一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置。
5.為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，包括多組減阻增推模塊單元，所述多組減阻增推模塊單元環(huán)形陣列于運(yùn)載火箭底部，每組減阻增推模塊單元均包括偏轉(zhuǎn)片、內(nèi)限位器、外限位器和轉(zhuǎn)軸；所述偏轉(zhuǎn)片為楔形結(jié)構(gòu)體，其上粗端通過轉(zhuǎn)軸與運(yùn)載火箭底部連接，其下銳端懸置；
所述內(nèi)限位器為斜切長方體限位塊，內(nèi)限位器固定于運(yùn)載火箭底部，且設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)限位器的斜切面和偏轉(zhuǎn)片的楔形面相對(duì)設(shè)置；所述外限位器為斜切長方體限位塊，外限位器固定于運(yùn)載火箭底部，且設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片外側(cè)，所述外限位器的斜切面和偏轉(zhuǎn)片的外表面相對(duì)設(shè)置；以沿運(yùn)載火箭主體軸線方向?yàn)?
°
基準(zhǔn)，偏轉(zhuǎn)片的最大內(nèi)偏角度為20
°?
40
°
，在最大內(nèi)偏狀態(tài)與內(nèi)限位器的斜切面10完全貼合，偏轉(zhuǎn)片的最大外偏角度為40
°?
70
°
，在最大外偏狀態(tài)與外限位器的斜切面完全貼合。
6.進(jìn)一步的，所述多組減阻增推模塊單元安裝于運(yùn)載火箭底部邊緣內(nèi)側(cè)。
7.進(jìn)一步的，所述偏轉(zhuǎn)片的上粗端設(shè)置有套筒，所述偏轉(zhuǎn)片通過套筒和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
8.進(jìn)一步的，內(nèi)限位器均勻設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片內(nèi)側(cè)的對(duì)稱軸的左、右兩邊，內(nèi)限位器的個(gè)數(shù)為2個(gè)。
9.進(jìn)一步的，外限位器均勻設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片外側(cè)的對(duì)稱軸的左、右兩邊，外限位器的個(gè)數(shù)為2個(gè)。
10.進(jìn)一步的，轉(zhuǎn)軸通過轉(zhuǎn)軸中段固定塊和運(yùn)載火箭底部固定連接。
11.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，多組減阻增推模塊單元的轉(zhuǎn)軸中心線相接近似組成與運(yùn)載火箭底部邊緣內(nèi)接的正多邊形。
12.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，減阻增推模塊單元的偏轉(zhuǎn)片的上粗端厚度大、下銳端厚度小、表面為平面的楔形塊，上粗端具有與轉(zhuǎn)軸連接、保證偏轉(zhuǎn)片能夠自由偏轉(zhuǎn)的套筒，以偏轉(zhuǎn)片對(duì)稱面為基準(zhǔn)，內(nèi)限位器和外限位器分為由設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片內(nèi)側(cè)和外側(cè)的斜切長方體限位塊組成，并保證斜切長方體限位塊的斜切面與最大偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的偏轉(zhuǎn)片表面完全貼合。
13.本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，結(jié)合運(yùn)載火箭底部在上升過程中的底部流動(dòng)變化特點(diǎn)，在運(yùn)載火箭底部邊緣內(nèi)側(cè)周向布置帶有偏轉(zhuǎn)片的減阻增推模塊單元，通過偏轉(zhuǎn)片的向內(nèi)偏轉(zhuǎn)來抑制低空高氣壓狀態(tài)的引射作用，實(shí)現(xiàn)底部阻力的降低，通過偏轉(zhuǎn)片的向外偏轉(zhuǎn)來增大高空低氣壓狀態(tài)的回流沖擊面積，實(shí)現(xiàn)底部推力的增加。本發(fā)明在保證結(jié)構(gòu)簡單、便于集成的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭在整個(gè)飛行過程中的有效減阻增推控制。本發(fā)明可應(yīng)用于軍民用大中型液體或固體火箭飛行器底部的減阻增推設(shè)計(jì)，特別是具有多噴管動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)載火箭飛行器底部設(shè)計(jì)。
14.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，在60km以下的大氣層內(nèi)具有減阻增推作用。
15.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，與底部現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相容性高，便于集成，安裝方便。
16.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，能夠根據(jù)底部流場特點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)偏轉(zhuǎn)，無需附加控制。
17.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，減阻增推模塊單元采用分布式模塊單元結(jié)構(gòu)，單元之間相互獨(dú)立，可靠性高。
18.本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，附加重量小，使用成
本低，便于推廣應(yīng)用。
附圖說明
19.圖1為本發(fā)明所述的運(yùn)載火箭的側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明所述的運(yùn)載火箭底部整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述的運(yùn)載火箭底部局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的減阻增推模塊單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的偏轉(zhuǎn)片與轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的減阻狀態(tài)示意圖；圖7為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的減阻狀態(tài)的仰視圖；圖8為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的減阻狀態(tài)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的增推狀態(tài)示意圖；圖10為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的增推狀態(tài)的仰視示意圖；圖11為本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置的增推狀態(tài)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖中：1為運(yùn)載火箭頭部，2為運(yùn)載火箭主體，3為噴管，4為運(yùn)載火箭底部，5為偏轉(zhuǎn)片，6為內(nèi)限位器，7為外限位器，8為轉(zhuǎn)軸，9為轉(zhuǎn)軸中段固定塊，10為內(nèi)限位器的斜切面，11為外限位器的斜切面，12為套筒。
具體實(shí)施方式
20.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，即所描述的具體實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施方式，而不是全部的具體實(shí)施方式。通常在此處附圖中描述和展示的本發(fā)明具體實(shí)施方式的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。
21.因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定具體實(shí)施方式?；诒景l(fā)明的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他具體實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
22.為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下具體實(shí)施方式，并配合附圖1-11詳細(xì)說明如下：一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，包括多組減阻增推模塊單元，所述
多組減阻增推模塊單元環(huán)形陣列于運(yùn)載火箭底部，每組減阻增推模塊單元均包括偏轉(zhuǎn)片5、內(nèi)限位器6、外限位器7和轉(zhuǎn)軸8；所述偏轉(zhuǎn)片5為楔形結(jié)構(gòu)體，其上粗端通過轉(zhuǎn)軸8與運(yùn)載火箭底部連接，其下銳端懸置；所述內(nèi)限位器6為斜切長方體限位塊，內(nèi)限位器6固定于運(yùn)載火箭底部4，且設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片5內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)限位器的斜切面10和偏轉(zhuǎn)片5的楔形面相對(duì)設(shè)置；所述外限位器7為斜切長方體限位塊，外限位器7固定于運(yùn)載火箭底部4，且設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片5外側(cè)，所述外限位器的斜切面11和偏轉(zhuǎn)片5的外表面相對(duì)設(shè)置；以沿運(yùn)載火箭主體2軸線方向?yàn)?
°
基準(zhǔn)，偏轉(zhuǎn)片5的最大內(nèi)偏角度為20
°?
40
°
，在最大內(nèi)偏狀態(tài)與內(nèi)限位器的斜切面10完全貼合，偏轉(zhuǎn)片5的最大外偏角度為40
°?
70
°
，在最大外偏狀態(tài)與外限位器的斜切面11完全貼合。
23.進(jìn)一步的，所述多組減阻增推模塊單元安裝于運(yùn)載火箭底部4邊緣內(nèi)側(cè)。
24.進(jìn)一步的，所述偏轉(zhuǎn)片5的上粗端設(shè)置有套筒12，所述偏轉(zhuǎn)片5通過套筒12和轉(zhuǎn)軸8轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
25.進(jìn)一步的，內(nèi)限位器6均勻設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片5內(nèi)側(cè)的對(duì)稱軸的左、右兩邊，內(nèi)限位器6的個(gè)數(shù)為2個(gè)。
26.進(jìn)一步的，外限位器7均勻設(shè)置于偏轉(zhuǎn)片5外側(cè)的對(duì)稱軸的左、右兩邊，外限位器7的個(gè)數(shù)為2個(gè)。
27.進(jìn)一步的，轉(zhuǎn)軸8通過轉(zhuǎn)軸中段固定塊9和運(yùn)載火箭底部4固定連接。
28.進(jìn)一步的，所述運(yùn)載火箭包括運(yùn)載火箭頭部1、運(yùn)載火箭主體2、噴管3和運(yùn)載火箭底部4。
29.進(jìn)一步的，轉(zhuǎn)軸中段固定塊9的軸向長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.2-0.6倍，轉(zhuǎn)軸8對(duì)應(yīng)運(yùn)載火箭底部4邊緣的短邊圓弧角度為9
°?
30
°
。
30.進(jìn)一步的，內(nèi)限位器6對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸8的軸向的長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.1倍-0.4倍。
31.進(jìn)一步的，外限位器7對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸8的軸向的長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.1倍-0.4倍。
32.進(jìn)一步的，偏轉(zhuǎn)片5的正向?yàn)榫匦?、?cè)向?yàn)樾ㄐ?，偏轉(zhuǎn)片5對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸8的上粗端的軸向長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.8倍-1.2倍，偏轉(zhuǎn)片5的上粗端與下銳端之間的邊長和偏轉(zhuǎn)片5的上粗端的邊長比值為0.8-3。
33.本實(shí)施方式所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，結(jié)合運(yùn)載火箭底部在上升過程中的底部流動(dòng)變化特點(diǎn)，在運(yùn)載火箭底部邊緣內(nèi)側(cè)周向布置帶有偏轉(zhuǎn)片的多組減阻增推模塊單元，通過偏轉(zhuǎn)片的向內(nèi)偏轉(zhuǎn)來抑制低空高氣壓狀態(tài)的引射作用，實(shí)現(xiàn)底部阻力的降低，通過偏轉(zhuǎn)片的向外偏轉(zhuǎn)來增大高空低氣壓狀態(tài)的回流沖擊面積，實(shí)現(xiàn)底部推力的增加。本實(shí)施方式的提出在保證結(jié)構(gòu)簡單、便于集成的同時(shí)，有效實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭在整個(gè)飛行過程中的減阻增推控制。本實(shí)施方式可應(yīng)用于軍民用大中型液體或固體火箭飛行器底部的減阻增推設(shè)計(jì)，特別是具有多噴管動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)載火箭飛行器底部設(shè)計(jì)。
34.具體實(shí)施方式二：一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，應(yīng)用于某一單級(jí)運(yùn)載火箭飛行器，最大飛行高度100km。對(duì)于安裝在運(yùn)載火箭底部的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)軸中段固定塊9的軸向長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.3倍，轉(zhuǎn)軸8對(duì)應(yīng)運(yùn)載
火箭底部4邊緣的短邊圓弧角度為15
°
。內(nèi)限位器6、外限位器7單側(cè)限位塊在轉(zhuǎn)軸8的軸向長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的3倍。偏轉(zhuǎn)片5在轉(zhuǎn)軸8的軸向長度為轉(zhuǎn)軸8整體長度的0.9倍。偏轉(zhuǎn)片5的最大內(nèi)偏角度為30
°
，偏轉(zhuǎn)片5的最大外偏角度為60
°
，偏轉(zhuǎn)片5的上粗端與下銳端之間的邊長和偏轉(zhuǎn)片5的上粗端的邊長比值為0.9。
35.基于ns方程進(jìn)行數(shù)值模擬評(píng)估，在飛行高度為1km、飛行馬赫數(shù)為0.6時(shí)，安裝一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置能夠使運(yùn)載火箭底部阻力減小3%，在飛行高度為50km、飛行馬赫數(shù)為5時(shí)，安裝一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置能夠使運(yùn)載火箭底部推力增加8%。
36.評(píng)估結(jié)果表明，本發(fā)明所述的一種用于運(yùn)載火箭底部減阻增推的控制裝置，在實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行過程中的減阻增推方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，可為新一代軍民用大中型運(yùn)載火箭飛行器研制提供有力支撐。
37.需要說明的是，術(shù)語“第一”和“第二”等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
38.雖然在上文中已經(jīng)參考具體實(shí)施方式對(duì)本技術(shù)進(jìn)行了描述，然而在不脫離本技術(shù)的范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，本技術(shù)所披露的具體實(shí)施方式中的各項(xiàng)特征均可通過任意方式相互結(jié)合起來使用，在本說明書中未對(duì)這些組合的情況進(jìn)行窮舉性的描述僅僅是出于省略篇幅和節(jié)約資源的考慮。因此，本技術(shù)并不局限于文中公開的特定具體實(shí)施方式，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
