一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的制作方法

1.本发明属于飞行器设计技术领域，具体涉及一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置。


背景技术：

2.近年来，卫星发射、空间站建设、太空维护与救援、深空探测等航天活动的“井喷式”发展离不开航天运载技术的进步。为了获得更大的运载能力，世界各国的运载火箭大多采用多台发动机并联的工作方式，如美国的“土星”5号火箭、苏联的“能源号”火箭、欧空局的“阿里安
”‑
5火箭、日本的h-iia火箭以及我国的“长征”5号火箭等。对于以多喷管动力系统为特征的多发并联运载火箭，多股喷流相互干扰形成的尾焰流场极为复杂，在点火发射之后，随着飞行高度的增加，大气压力逐渐降低、喷流膨胀角不断增大，运载火箭底部流动分为起飞、引射、回流和阻塞等4个典型阶段，不同阶段的底部流场结构对于运载火箭底部阻力的影响规律有着明显的差异。通常情况下，底部阻力约占运载火箭整体阻力的十分之一以上，为了减小推进剂的重量占比，降低发射成本，提高运输效率，如何结合底部流动，针对性的发展运载火箭底部减阻增推技术是新一代运载火箭需要着重考虑的问题。
3.对于带有多喷管动力系统的运载火箭飞行器，底部流动涉及可压分离流、湍流、激波、膨胀波、剪切层之间的相互干扰以及不同介质气流的相互作用，根据喷流出口压力与大气压力的关系，运载火箭飞行器底部阻力问题可分为减阻和增推两个方面，其中在大气压力大于喷流出口压力的低空飞行阶段，喷流引射作用将周围空气吸入底部形成负压而增加底部阻力，而在大气压力小于喷流出口压力的高空飞行阶段，喷流边界膨胀并形成回流冲击而产生推力。低空减阻的重点在于抑制喷流引射作用，典型的减阻措施为设计多级台阶底座，高空增推的重点在于增加底部面积，典型的增推措施为设计裙式底座。上述两种方案尽管具有一定的减阻增推作用，但存在适用范围有限，综合收益有限的问题，因此，如何结合底部流动特点，提出在整个飞行阶段都具有明显减阻增推作用的新型控制装置就成为新一代运载火箭底部设计技术研究的重要方向之一。


技术实现要素：

4.本发明针对新一代大中型运载火箭飞行器，在保证现有底部结构特征的基础上，结合整个飞行过程中的底部流动变化特点，为了提高运载火箭底部减阻增推的效果，发明了一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置。
5.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，包括多组减阻增推模块单元，所述多组减阻增推模块单元环形阵列于运载火箭底部，每组减阻增推模块单元均包括偏转片、内限位器、外限位器和转轴；所述偏转片为楔形结构体，其上粗端通过转轴与运载火箭底部连接，其下锐端悬置；
所述内限位器为斜切长方体限位块，内限位器固定于运载火箭底部，且设置于偏转片内侧，所述内限位器的斜切面和偏转片的楔形面相对设置；所述外限位器为斜切长方体限位块，外限位器固定于运载火箭底部，且设置于偏转片外侧，所述外限位器的斜切面和偏转片的外表面相对设置；以沿运载火箭主体轴线方向为0
°
基准，偏转片的最大内偏角度为20
°‑
40
°
，在最大内偏状态与内限位器的斜切面10完全贴合，偏转片的最大外偏角度为40
°‑
70
°
，在最大外偏状态与外限位器的斜切面完全贴合。
6.进一步的，所述多组减阻增推模块单元安装于运载火箭底部边缘内侧。
7.进一步的，所述偏转片的上粗端设置有套筒，所述偏转片通过套筒和转轴转动连接。
8.进一步的，内限位器均匀设置于偏转片内侧的对称轴的左、右两边，内限位器的个数为2个。
9.进一步的，外限位器均匀设置于偏转片外侧的对称轴的左、右两边，外限位器的个数为2个。
10.进一步的，转轴通过转轴中段固定块和运载火箭底部固定连接。
11.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，多组减阻增推模块单元的转轴中心线相接近似组成与运载火箭底部边缘内接的正多边形。
12.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，减阻增推模块单元的偏转片的上粗端厚度大、下锐端厚度小、表面为平面的楔形块，上粗端具有与转轴连接、保证偏转片能够自由偏转的套筒，以偏转片对称面为基准，内限位器和外限位器分为由设置于偏转片内侧和外侧的斜切长方体限位块组成，并保证斜切长方体限位块的斜切面与最大偏转状态的偏转片表面完全贴合。
13.本发明的有益效果：本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，结合运载火箭底部在上升过程中的底部流动变化特点，在运载火箭底部边缘内侧周向布置带有偏转片的减阻增推模块单元，通过偏转片的向内偏转来抑制低空高气压状态的引射作用，实现底部阻力的降低，通过偏转片的向外偏转来增大高空低气压状态的回流冲击面积，实现底部推力的增加。本发明在保证结构简单、便于集成的同时，实现了运载火箭在整个飞行过程中的有效减阻增推控制。本发明可应用于军民用大中型液体或固体火箭飞行器底部的减阻增推设计，特别是具有多喷管动力系统的运载火箭飞行器底部设计。
14.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，在60km以下的大气层内具有减阻增推作用。
15.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，与底部现有结构相容性高，便于集成，安装方便。
16.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，能够根据底部流场特点进行自适应偏转，无需附加控制。
17.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，减阻增推模块单元采用分布式模块单元结构，单元之间相互独立，可靠性高。
18.本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，附加重量小，使用成
本低，便于推广应用。
附图说明
19.图1为本发明所述的运载火箭的侧视图；图2为本发明所述的运载火箭底部整体结构示意图；图3为本发明所述的运载火箭底部局部结构示意图；图4为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的减阻增推模块单元结构示意图；图5为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的偏转片与转轴的结构示意图；图6为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的减阻状态示意图；图7为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的减阻状态的仰视图；图8为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的减阻状态的局部结构示意图；图9为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的增推状态示意图；图10为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的增推状态的仰视示意图；图11为本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置的增推状态的局部结构示意图；图中：1为运载火箭头部，2为运载火箭主体，3为喷管，4为运载火箭底部，5为偏转片，6为内限位器，7为外限位器，8为转轴，9为转轴中段固定块，10为内限位器的斜切面，11为外限位器的斜切面，12为套筒。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
22.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-11详细说明如下：一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，包括多组减阻增推模块单元，所述
多组减阻增推模块单元环形阵列于运载火箭底部，每组减阻增推模块单元均包括偏转片5、内限位器6、外限位器7和转轴8；所述偏转片5为楔形结构体，其上粗端通过转轴8与运载火箭底部连接，其下锐端悬置；所述内限位器6为斜切长方体限位块，内限位器6固定于运载火箭底部4，且设置于偏转片5内侧，所述内限位器的斜切面10和偏转片5的楔形面相对设置；所述外限位器7为斜切长方体限位块，外限位器7固定于运载火箭底部4，且设置于偏转片5外侧，所述外限位器的斜切面11和偏转片5的外表面相对设置；以沿运载火箭主体2轴线方向为0
°
基准，偏转片5的最大内偏角度为20
°‑
40
°
，在最大内偏状态与内限位器的斜切面10完全贴合，偏转片5的最大外偏角度为40
°‑
70
°
，在最大外偏状态与外限位器的斜切面11完全贴合。
23.进一步的，所述多组减阻增推模块单元安装于运载火箭底部4边缘内侧。
24.进一步的，所述偏转片5的上粗端设置有套筒12，所述偏转片5通过套筒12和转轴8转动连接。
25.进一步的，内限位器6均匀设置于偏转片5内侧的对称轴的左、右两边，内限位器6的个数为2个。
26.进一步的，外限位器7均匀设置于偏转片5外侧的对称轴的左、右两边，外限位器7的个数为2个。
27.进一步的，转轴8通过转轴中段固定块9和运载火箭底部4固定连接。
28.进一步的，所述运载火箭包括运载火箭头部1、运载火箭主体2、喷管3和运载火箭底部4。
29.进一步的，转轴中段固定块9的轴向长度为转轴8整体长度的0.2-0.6倍，转轴8对应运载火箭底部4边缘的短边圆弧角度为9
°‑
30
°
。
30.进一步的，内限位器6对应转轴8的轴向的长度为转轴8整体长度的0.1倍-0.4倍。
31.进一步的，外限位器7对应转轴8的轴向的长度为转轴8整体长度的0.1倍-0.4倍。
32.进一步的，偏转片5的正向为矩形、侧向为楔形，偏转片5对应转轴8的上粗端的轴向长度为转轴8整体长度的0.8倍-1.2倍，偏转片5的上粗端与下锐端之间的边长和偏转片5的上粗端的边长比值为0.8-3。
33.本实施方式所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，结合运载火箭底部在上升过程中的底部流动变化特点，在运载火箭底部边缘内侧周向布置带有偏转片的多组减阻增推模块单元，通过偏转片的向内偏转来抑制低空高气压状态的引射作用，实现底部阻力的降低，通过偏转片的向外偏转来增大高空低气压状态的回流冲击面积，实现底部推力的增加。本实施方式的提出在保证结构简单、便于集成的同时，有效实现了运载火箭在整个飞行过程中的减阻增推控制。本实施方式可应用于军民用大中型液体或固体火箭飞行器底部的减阻增推设计，特别是具有多喷管动力系统的运载火箭飞行器底部设计。
34.具体实施方式二：一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，应用于某一单级运载火箭飞行器，最大飞行高度100km。对于安装在运载火箭底部的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，主要参数为：转轴中段固定块9的轴向长度为转轴8整体长度的0.3倍，转轴8对应运载
火箭底部4边缘的短边圆弧角度为15
°
。内限位器6、外限位器7单侧限位块在转轴8的轴向长度为转轴8整体长度的3倍。偏转片5在转轴8的轴向长度为转轴8整体长度的0.9倍。偏转片5的最大内偏角度为30
°
，偏转片5的最大外偏角度为60
°
，偏转片5的上粗端与下锐端之间的边长和偏转片5的上粗端的边长比值为0.9。
35.基于ns方程进行数值模拟评估，在飞行高度为1km、飞行马赫数为0.6时，安装一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置能够使运载火箭底部阻力减小3%，在飞行高度为50km、飞行马赫数为5时，安装一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置能够使运载火箭底部推力增加8%。
36.评估结果表明，本发明所述的一种用于运载火箭底部减阻增推的控制装置，在实现整个飞行过程中的减阻增推方面具有明显的技术优势，可为新一代军民用大中型运载火箭飞行器研制提供有力支撑。
37.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
38.虽然在上文中已经参考具体实施方式对本技术进行了描述，然而在不脱离本技术的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本技术所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本技术并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。