[發明專利]一種具有姿控和軌控冗余設計的返回式飛行器

在審

• 申請號: 201710047273.5
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106915475A
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 石凱宇;陳勤;李海濱;付仕明;穆育強;和宇碩;劉昕;房紅軍
• 申請（專利權）人: 北京電子工程總體研究所
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司11257
• 代理人: 付生輝,張雪梅

技術領域

本發明涉及返回式飛行器。更具體地，涉及一種具有姿控和軌控冗余設計的返回式飛行器。

背景技術

姿控發動機布局設計是返回式飛行器結構設計的重要內容。在返回式飛行器設計中，一方面要考慮姿控冗余，即在一組姿控發動機失效的情況下可以利用備份姿控發動機實現姿態控制，另一方面要考慮軌控冗余，即在軌控發動機失效的情況下，可以利用部分姿控發動機，在不影響姿控效果的前提下實現軌道控制。

以往的方法中，一種是例如多用途載人飛船(MPCV)的姿控發動機布局方法，該布局方法是返回艙普遍采用的經典布局方法，其在返回艙的背風面安裝了12姿控發動機，其中4臺控制滾轉，4臺控制偏航，4臺控制俯仰，具有較強的姿控冗余能力。

另外一種常見的姿控發動機布局如圖1所示。在飛行器的尾部布置了六臺姿控發動機，其中1#、2#、3#發動機為一組，4#、5#、6#發動機為一組，分別安裝在+Y軸和-Y軸處。其中1#、3#、4#、6#發動機控制滾轉和偏航，而2#、5#號發動機控制俯仰。

以上的技術方案中，阿波羅返回艙在設計時側重于姿態控制的冗余性，并不具備軌控冗余的能力。而六姿控發動機在1#、3#、4#、6#姿控發動機有一個發生故障的情況下，可以實現一定程度的姿控冗余，然而，若2#或者5#姿控發動機發生故障，則無法實現俯仰通道的控制；當軌控發動機故障時，無法提供軌控推力。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種具有姿控和軌控冗余設計的返回式飛行器，解決傳統姿控發動機布局無法滿足冗余備份要求的要求。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種具有姿控和軌控冗余設計的返回式飛行器，包括：飛行器本體以及設置在飛行器本體上的姿控發動機，所述姿控發動機的數量為12臺，且以3臺為一組呈T型均勻布置在飛行器本體的外周面上。

優選地，在圓周上相對的兩組姿控發動機作為主份姿控系統，另一相對的兩組姿控發動機作為備份姿控發動機，所述主份自控系統和備份姿控系統均通過自鎖閥進行控制。

優選地，四組姿控發動機布置在飛行器本體的尾部，第一組姿控發動機包括第1、2、3姿控發動機，第一組姿控發動機布置在返回式飛行器本體坐標系的(-L，R，0)位置，第二組姿控發動機包括第4、5、6姿控發動機，第二組姿控發動機布置在返回式飛行器本體坐標系的(-L，0，R)位置，第三組姿控發動機包括第7、8、9姿控發動機，第三組姿控發動機布置在返回式飛行器本體坐標系的(-L，-R，0)位置，第四組姿控發動機包括第10、11、12姿控發動機，第四組姿控發動機布置在返回式飛行器本體坐標系的(-L，0，-R)位置，L為姿控發動機安裝平面與質心的距離，R為姿控發動機喉管與返回式飛行器X軸的距離。

優選地，第2、5、8、11姿控發動機朝向-X軸方向，第1、9姿控發動機朝向-Z軸方向，第3、7姿控發動機朝向Z軸方向，第4、12姿控發動機朝向Y軸方向，第6、10姿控發動機朝向-Y軸方向。

本發明的有益效果如下：

本發明的返回式飛行器可以用在軌道坐標系下的導航姿態θ_o，Ψ_o，γ_o，能否穩定跟蹤指令姿態來考察姿控效果，而用需要速度減量來考察軌控效果。在正常情況下，在姿控發動機的控制下，導航姿態可以跟蹤指令姿態，在軌控發動機的開機下，需要速度減量一直降低。

首先考慮姿控故障條件下的控制效果。考慮這樣一種情況，在離軌制動的第50s，突然有一個姿控發動機失效，現有技術中的“六姿控發動機”方案以及本姿控發動機布局方案的效果：

圖2和圖3中Rz1～Rz12分別表示1#姿控發動機到12#姿控發動機，Rg表示軌控發動機，Rzsf1～Rzsf3分別表示1#自鎖閥到3#自鎖閥。

由圖2-7可知，在50s有一個姿控發動機失效的情況下，現有的六姿控發動機飛行器姿態角無法跟蹤指令姿態角，姿控失敗，需要速度減量無法進一步下降，軌控失敗。而本發明采用的十二姿控發動機飛行器，在50s發現5#姿控發動機失效后，立刻關閉其對應的2#自鎖閥，采用(1,2,3)，(7,8,9)六個姿控發動機實施姿態控制，姿態角依舊可以穩定跟蹤指令姿態，軌控發動機可以正常開機，需要速度減量持續下降，實現了在個別姿控發動機故障情況下的正常離軌制動。