一种基于挤压发动机的运载火箭的制作方法

本发明涉及航天火箭发射领域，特别是涉及一种低成本可重复使用火箭设计方案。

背景技术：

当前运载火箭包括固体燃料和液体燃料两大类型，其中固体燃料火箭存在成本高、运载能力低的缺点，液体火箭大多需要使用复杂的涡轮泵对燃料进行增压，存在结构复杂、可靠性低且成本高的缺点。挤压式发动机具有成本低、结构简单可靠的优点，但由于需要对液体燃料贮箱进行整体增压，要求贮箱结构承受非常高的内压，这将在三方面降低火箭运载能力：①贮箱结构厚度增加，重量增加；②发动机燃烧室压力明显低于采用涡轮泵的方案，导致发动机比冲大幅降低；③贮箱内用于增压的气体重量需求远大于泵压式发动机，导致飞行废重增加。以上缺点导致挤压发动机不是当前火箭设计的主流方案，目前仅用于少数火箭的末级(末级工作在真空环境，对增压压力要求低)。

在回收技术方面，目前世界上最成功的是美国spacex公司的展开式着陆腿缓冲回收方案，该方案对发动机多次启动、推力控制、导航制导控制、缓冲着陆技术要求非常高，且存在着陆装置重量大、着陆反推减速燃料需求大从而影响运载能力的缺点。

针对以上问题，在充分发挥挤压发动机结构简单、成本低廉的优势前提下，通过优化设计火箭结构，尽最大可能降低结构重量和回收难度，设计实现基于挤压发动机的可重复使用运载火箭方案，是降低运载火箭发射成本的重要方向。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种使用挤压式液体发动机、相交球壳共底贮箱的可重复使用低成本多级运载火箭方案，能够降低火箭结构重量、降低火箭制造成本，便于实现除末级外的大部分结构可靠回收，从而大幅降低火箭发射成本。

本发明的有益效果是：可接受范围小幅度降低运载效率(火箭发射入轨的有效载荷质量与起飞质量之比)的前提下，实现运载火箭低成本制造和可回收重复使用，提升运载火箭的可靠性，大幅降低单位质量有效载荷发射入太空的成本。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的示意图；

图2是本发明火箭较佳实施例的级间分离前后示意图；

附图中各部件的标记如下：

①一级发动机(多台)；

②一级共底贮箱；

③一级贮箱共底隔板；

④一二级级间整流罩；

⑤一二级级间段；

⑥二级发动机；

⑦二级贮箱；

⑧二级贮箱共底隔板；

⑨三子级(含环形相交球壳贮箱和发动机)；

⑩整流罩。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例一种基于挤压发动机的可重复使用运载火箭，包括：

1)火箭为三级火箭，三个子级均采用挤压式液氧甲烷火箭发动机；

2)各子级增压压力均不小于1.0mpa，一子级压力要更高；

3)一子级、二子级为串联相交球壳共底贮箱，三子级为环形相交球壳贮箱；

4)火箭贮箱均采用高强度合金钢制成，材料在使用环境下屈服强度不低于1000mpa；

5)一子级贮箱直径为5.0米，相交球壳球心距2.5米，球壳、隔板等厚；

6)为了避免燃料浪费，共底隔板呈下凸球形，其厚度略高于其他非共底隔板；

7)二子级直径5.0米，结构形式类似一子级；

8)三子级贮箱各个球壳直径2.0米，三子级与仪器舱一体化设计，并被整流罩整体包络；

9)一二级级间段直径2.0米，高度0.5米，为承力结构，且实现级间分离；

10)一二级级间整流罩直径5.0米，高5.0米，为气动维形结构，不承受飞行载荷。在满足气动安全前提下可以取消一二级级间整流罩；

11)三子级通过多个爆炸螺栓与二子级连接并实现分离；

12)一子级采用12台海平面推力为800kn的挤压发动机，总起飞推力9600kn，二子级采用4台真空推力为1000kn的挤压发动机；三子级采用4台真空推力100kn的挤压发动机；

13)二子级发动机与火箭轴线呈30°安装；

14)各个子级氧箱、燃箱均采用自生增压方式；

15)一子级和二子级落水前，将贮箱内高压氧气、甲烷压入若干台发动机燃烧室，实现反推制动，降低落水速度到结构可承受范围；

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种基于挤压发动机的低成本可重复使用运载火箭；其特征在于，包括：①使用低成本挤压式液体火箭发动机；②一般为多级运载火箭，三级或四级可实现发射卫星入轨，单级火箭可实现亚轨道飞行；③一子级和二子级等助推级采用多台发动机并联，并联发动机圆周对称分布于贮箱底部；④使用相交球壳共底贮箱；⑤火箭一子级顶端和二子级末端球壳通过小直径、小高度级间段连接，并在该级间段设计级间分离装置；⑥二级发动机安装时可倾斜于火箭轴线，一二级分离后再旋转为平行于火箭轴线；⑦除了末级外，火箭各个助推子级和整流罩均通过溅落水面回收；⑧各个回收子级落水前将贮箱内高压燃气送入发动机并点火实现反推减速，减小落水速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于挤压式发动机的液体运载火箭，其特征在于：①各个助推子级采用挤压式液体发动机，靠贮箱内部压力将燃料和氧化剂推入发动机燃烧室；②发动机燃料类型不限，为了降低燃料体积，首选使用高密度比冲液体燃料；③各个子级采用多个小推力发动机并联满足总推力要求，各子级发动机环绕火箭轴线并列分布于该子级贮箱下端球底的四周。

3.根据权利要求1所述多级运载火箭，其特征在于：①如果要将有效载荷送入环绕地球轨道，则至少为2级火箭，一般为3级或4级火箭；②亚轨道飞行可以是单级火箭；③以3级火箭为例，典型火箭结构如附图1所示，由一级发动机若干台、一级共底贮箱、一二级级间段、一二级级间整流罩、二级发动机若干台、二级共底贮箱、三级发动机、三级贮箱、整流罩(包裹三子级和有效载荷)等部段组成；④一二级级间段位于一子级和二子级贮箱球壳之间，直径明显小于贮箱，高度以满足二子级发动机环向分布为宜，与常规火箭的级间段相比，高度和直径都大为减小；⑤一二子级通过级间段连接和分离，并通过级间段传递火箭飞行载荷，包括轴力、弯矩和剪力；⑥级间整流罩主要起维持气动外形作用，几乎不承担飞行载荷，满足气动安全要求情况下可以取消；⑦必要时二级发动机倾斜于火箭轴线安装，以适应大尺寸喷管，一二级分离后二级发动机再回复正常的平行火箭轴线状态，如附图2所示。

4.根据权利要求1所述的一种相交球壳共底贮箱结构，其特征在于：①贮箱由多个理想球壳相交组成，除末级外为串联相交，末级为减小高度为环形相交；②各个球壳相交面位置设置隔板，隔板兼做不同燃料之间的共底结构或者防晃板结构；③在等压力下，球壳和隔板的主体分别为等厚度结构(球壳与隔板厚度可能不同)；④同一燃料的球壳隔板之间设置联通孔，并考虑局部加强；⑤贮箱增压方式可以采用压缩气体、自生增压、化学反应增压等多种形式。

5.根据权利要求1所述的一种可重复使用液体火箭，其特征在于：①除了末级外，其他助推子级和整流罩均采用水面溅落回收；②各回收体通过弹道式自由落体方式落水，必要时采用降落伞、翼伞、反推发动机控制降落姿态或者缓冲减速；③可考虑通过将贮箱内的高压气体排入发动机并点火实现反推；④各回收子级落水后漂浮于水面，必要时使用气囊增大浮力。

技术总结
本发明公开了一种采用挤压式液体火箭发动机的多级液体运载火箭。本发明公开的火箭采用低成本挤压式液体发动机，各子级的发动机以环形并联方式固定在贮箱球壳下，采用高强度材料制造的耐高压相交球壳共底贮箱结构，火箭通过多级点火实现将有效载荷送入太空轨道，火箭各子级之间通过连接贮箱球壳的小直径级间段连接和分离，火箭的一子级结构、二子级结构和整流罩均通过弹道式落水回收，一子级和二子级在接近落水时依靠排出并点燃贮箱内的高压气体实现反冲减速，减小落水冲击。基于上述综合措施可以大幅降低结构重量，减少零部件数量并降低制造成本，实现低成本可重复使用火箭设计。

技术研发人员：王立朋
受保护的技术使用者：北京格锐德科技有限公司
技术研发日：2021.05.08
技术公布日：2021.08.06