陀螺舵重返大氣層滑翔飛行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陀螺舵重返大氣層滑翔飛行器。在飛行器重返大氣層的過程中，消除飛行器高速運動與空氣摩擦所產(chǎn)生的熱應力，是重返大氣層飛行器需要解決的重要工程問題。本發(fā)明的飛行器，利用陀螺在慣性系中的方位穩(wěn)定性特征，使陀螺軸通過差動裝置操控飛行器軸，改變飛行器在大氣中的姿態(tài)，飛行器外表面飛行角度的變化起到了舵面的效果，使得飛行器能夠在大氣中滑翔飛行。同時使飛行器圍繞自身軸線有一個慢速的角位移，這個角位移使得發(fā)生在飛行器前緣的熱應力區(qū)對飛行器而言是移動的。由于熱應力區(qū)的位置在飛行器前緣上的移動，從而能獲得對熱應力進行降溫所必要的時間和操作的空間，使飛行器能夠安全地再入大氣層并通過熱障區(qū)。
【專利說明】陀螺舵重返大氣層滑翔飛行器
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:本發(fā)明涉及一種使用陀螺穩(wěn)定空間方位并調(diào)整飛行姿態(tài)的、角位移擴散熱應力的、漂浮滑翔式重返大氣層飛行器。
[0002]【背景技術(shù)】:現(xiàn)有的重返大氣層飛行器，為航天飛機或返回艙。航天飛機由于熱應力過于集中等等問題，發(fā)展受到阻滯。返回艙嚴格說來不是飛行器，而是如隕石般地“硬重返”大氣層，是墜落而不是飛行。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明是要提供一種滑翔式飛行狀態(tài)的重返大氣層飛行器，它能夠在返回大氣層過程中漂浮式滑翔飛行，同時能夠擴散熱應力集中點，使得熱應力不是在一段時間內(nèi)固定在飛行器某些表面區(qū)域堆積，從而能夠獲得必要的對熱應力進行降溫的時間和空間。
[0004]本發(fā)明飛行器的外形為飛碟狀或飛魚狀，剖面為流線形翼狀形狀，在空氣中運動時，可以產(chǎn)生一定的升阻比。內(nèi)部為有一對相反方向旋轉(zhuǎn)的、同軸線的陀螺裝置。設(shè)置一對同軸線反向旋轉(zhuǎn)的陀螺，是要使陀螺在空間啟動時，自身吸收反向扭矩，而不將扭矩傳遞給飛行器。根據(jù)飛行器自身質(zhì)量和載荷質(zhì)量的不同，此陀螺旋轉(zhuǎn)時應該具有足夠大的旋轉(zhuǎn)動量。陀螺旋轉(zhuǎn)軸線與飛行器幾何軸線在某一點同心，見圖1，這一點是固定點。為陀螺軸O軸上的O點，和飛行器軸O'軸上的O'點，這兩點始終重合。兩軸通過差動裝置和傳動裝置連接。通過差動裝置，可以調(diào)整兩軸的夾角α角；通過差動裝置，可以使O'軸圍繞O軸旋轉(zhuǎn)。由于O點和O'點固定重合，所以O(shè)'軸圍繞O軸的旋轉(zhuǎn)是行星狀的擺動旋轉(zhuǎn)。通過傳動裝置，可以使飛行器圍繞自身O'軸慢速轉(zhuǎn)動，或者角位移。
[0005]另建立一個慣性參照系e系,見圖2,原點為地球中心點，e軸為地球自轉(zhuǎn)軸,參照系中任意一點O點的位置，由O點所在的經(jīng)度、緯度，及O點到e點的距離r確定。為便于敘述，將e點O點的連線方向稱作垂直方向；與e0連線垂直的、過O點的平面稱作水平方向。這不是一個嚴格的力學意義上的慣性系，謹以此作為本工程的工程慣性參照系。
[0006]在重返大氣層的飛行過程中，飛碟狀飛行器的運動過程是這樣的，在陀螺啟動并建立方位姿態(tài)后，通過使用差動裝置調(diào)整飛行器自轉(zhuǎn)軸O'軸與陀螺自轉(zhuǎn)軸O軸的夾角α角、并使O'軸圍繞O軸行星式轉(zhuǎn)動，由于O點與O'點的重合，飛碟在空間是一個擺動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；同時通過傳動裝置，使飛碟飛行器自身圍繞O'軸還有一個緩慢的自轉(zhuǎn)。飛碟在空間是擺動旋轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)。利用陀螺在慣性系中具有的保持軸向穩(wěn)定性的特征，在陀螺轉(zhuǎn)動慣量足夠大的狀態(tài)下，在e參照系中可以觀測到，飛碟飛行器的運動狀態(tài)是隨自身的O'軸行星式擺動旋轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)前進。
[0007]將以上幾種運動姿態(tài)組合起來，形成飛碟飛行器在e系中的完整運動狀態(tài)。就是，飛碟飛行器攜帶初始運動速度，在大氣中行星式圓周擺動旋轉(zhuǎn)地、自身自轉(zhuǎn)地、受到地心引力地、受到空氣阻力地、在大氣中滑翔。在滑翔中，由于飛行器的圓周擺動，飛碟飛行器會受到周期性的左向、右向升阻力，這樣從垂直方向看，飛行器的運動軌跡是右向、左向的蛇形運動；從水平方向看，由于飛碟飛行器受到周期性變化的升阻力，再疊加上地心的重力引力，飛碟飛行器的運動軌跡是向下的波浪形運動。
[0008]在重返大氣層的飛行過程中，飛魚狀飛行器的運動過程是這樣的，在陀螺啟動并建立方位姿態(tài)后，通過使用差動裝置調(diào)整飛魚飛行器自轉(zhuǎn)軸O'軸與陀螺自轉(zhuǎn)軸O軸的夾角α角、并使O'軸圍繞O軸行星式轉(zhuǎn)動，由于O點與O'點的重合，飛魚飛行器在空間是一個擺動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；同時通過傳動裝置，使飛魚飛行器自身圍繞O '軸還有一個往復角位移β，圖3，使得飛魚飛行器的飛行前緣始終是ab弧上的某個點。
[0009]將以上幾種運動姿態(tài)組合起來，形成飛魚飛行器在e系中的完整運動狀態(tài)。就是，飛魚飛行器攜帶初始運動速度，在大氣中行星式圓周擺動旋轉(zhuǎn)地、自身往復角位移地、受到地心引力地、受到空氣阻力地、在大氣中滑翔。
[0010]由于有一個尾翼，飛魚飛行器會比飛碟飛行器具有更好的在大氣中的滑翔穩(wěn)定性。
[0011]飛碟飛行器與飛魚飛行器所不同的，是飛碟圍繞自身O'軸旋轉(zhuǎn)，而飛魚圍繞自身O'軸往復角位移。飛行姿態(tài)和軌跡都是一樣的。
[0012]陀螺所起到的作用，像是給飛行器安裝了舵機，舵面就是飛行器自身的外表面。舵機的動力，就是陀螺在慣性系中所具有的方位惰性。當要試圖改變這個惰性的時候，就是當差動裝置使O'軸與O軸產(chǎn)生夾角α角、并使O'軸圍繞O軸行星式擺動轉(zhuǎn)動的時候，飛行器受到的升阻力變化會反饋給陀螺系統(tǒng)，而陀螺在慣性系中的癡呆性方位記憶并不允許這樣的變化，因為陀螺在慣性系中是有能量的。在本發(fā)明中，就是利用這種陀螺的惰性能量，提供給差動裝置，產(chǎn)生舵效應。飛行器行星擺動旋轉(zhuǎn)動作，會有空氣升阻力反饋的作用力，所以一方面希望陀螺的轉(zhuǎn)動慣量夠大，另一方面只要有這個力存在，有空氣升阻力的變化，飛行器就有舵效應存在，就能夠影響飛行器的飛行狀態(tài)，陀螺舵的目的在于此。在這個過程中，陀螺轉(zhuǎn)動的能量會有消耗，需要陀螺啟動后保持帶動率運行。另外通過傳動裝置，使飛行器繞O'軸旋轉(zhuǎn)或角位移的動作，不需要很大的力矩。
[0013]綜上所述，飛行器帶著初始速度、受到地心引力、空氣阻力、在大氣中做蛇形和波浪形的向接近地心方向的減速滑翔運動。由于飛行器的蛇形和波浪形運動，延長了它的運動路徑，在水平速度不會增加的情況下，也即延長了飛行器走過這段路徑的時間。同時又由于飛行器在這個過程中，還有圍繞自身O,軸的角位移，這樣，在前進方向前緣的熱應力堆積點，對飛行器自身而言，是移動的。由此，我們得以獲得必要的對熱應力進行降溫的時間和操作的空間，使飛行器能夠安全地渡過熱障區(qū)。
[0014]實際上，在此運動過程中，從e參照系中來觀察，由于飛行器在大氣中行星式擺動旋轉(zhuǎn)運動，飛行器外表面所受到的空氣升阻力，也會通過差動裝置，傳遞給陀螺所在的O軸，并引起O軸在e系中的方位漂移。但是這個行星式擺動旋轉(zhuǎn)是周期往復性的，所以它所引起的O軸在e系中的方位漂移也將是周期往復性的。在e系中能觀測到，O軸和O'軸是互相行星式的、進動式的運動方式。只要陀螺的動量慣量足夠大，α角度控制在一定的區(qū)間內(nèi)，飛行器就能夠做出所設(shè)定的飄浮滑翔，而不致失去狀態(tài)。
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】:圖1為陀螺所在的參照系O系，及飛行器所在的參照系O'系。O點為陀螺的幾何中心點，O軸為陀螺的轉(zhuǎn)動軸。O'點為飛行器的幾何中心點，O'軸為飛行器的
自轉(zhuǎn)軸。O點與O'點始終是重合在同一點上。
[0016]圖2為設(shè)定在地球上的慣性參照系。e點為地心點，e軸為地球自轉(zhuǎn)軸。參照系中任意一點O點的位置，由該O點所在經(jīng)度、緯度方位，及O點到e點的距離r確定。
[0017]圖3為魚狀飛行器的俯視示意圖，O'點為飛行器的幾何中心點。a點至b點之間的弧線為飛行器的飛行前緣。β為飛行器圍繞O'點的往復位移角。
[0018]圖4為魚狀飛行器伸出控制翼示意圖。
[0019]【具體實施方式】:本發(fā)明的任務是以如下方式完成，在飛行器重返進入大氣層之前，經(jīng)過一定減速并在e系中建立方位姿態(tài)后，此時O軸與O'軸重合，啟動飛行器內(nèi)的陀螺。飛行器進入大氣層后，通過差動裝置，調(diào)整O'軸與O軸的夾角α角，并使O'軸圍繞O軸做行星式擺動旋轉(zhuǎn)。同時通過傳動裝置，使飛行器繞O'軸慢速角位移。此時飛行器受到地心引力、周期性變化的空氣升阻力，在初速度的引領(lǐng)下，在大氣中滑翔。軌跡是水平蛇形的、垂直波浪形的運動。在地心引力的作用下，O點至e點的距離在逐漸減??；在空氣阻力的作用下，O點的水平速度在逐漸減小。
[0020]在此過程中，根據(jù)大氣密度的變化，和飛行器水平速度的變化，調(diào)整α角的角度，使飛行器獲得合適的升阻力。
[0021]在此過程進行的同時，由于飛行器繞O'軸的慢速角位移，飛行器前進方向前緣的熱應力點并不固定在飛行器外表的某一點，而是移動的。這樣，就有了對熱應力進行降溫的必要時間和操作的空間。
[0022]當高度下降到一定高度，水平速度下降到一定速度以后，飛碟飛行器可以打開減速傘下降，返回地面或水面，完成重返大氣層飛行。魚式飛行器可以伸出控制翼，圖4，剎停陀螺，自主控制滑翔，用輪式起落架，返回地面，完成重返大氣層飛行。
[0023]具體到工程上，一對相反方向旋轉(zhuǎn)的陀螺，可以就是電機的轉(zhuǎn)子和定子對。為增加轉(zhuǎn)動慣量，可以將它們做成厚沿比薩餅形狀。對于飛行器外緣熱應力的降溫，可以使用一次性制冷，在飛行器外緣熱應力區(qū)設(shè)置制冷通路，伺給制冷劑，蒸發(fā)后直接排入大氣。或者在不至于影響飛行器飛行姿態(tài)的前提下，利用陀螺的轉(zhuǎn)動，帶動壓氣機吸入高層大氣的冷氣體，直接進行氣冷。
[0024]相比較已有的航天飛機，本發(fā)明的飛行器提供了對熱應力問題的更好的解決方案。相比較已有的返回艙，本發(fā)明的飛行器具有滑翔返回的能力，由于可以借助空氣的浮力，應該能夠攜帶更多的載荷。
[0025]在未來的空間開發(fā)和月球開發(fā)中，跨大氣層的貨物運輸會和現(xiàn)在的跨大洋運輸一樣繁忙?？绱髿鈱拥拿窆し掂l(xiāng)也需要大容量的飛行器，這些都是本發(fā)明的應用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種使用陀螺定位并調(diào)整飛行姿態(tài)的、角位移擴散熱應力區(qū)的、滑翔式的重返大氣層飛行器，其特征在于飛行器外形為剖面呈流線型翼狀，飛行器內(nèi)部有一對同軸反向旋轉(zhuǎn)的陀螺，陀螺軸線中心點與飛行器幾何軸線中心點始終重合，陀螺軸與飛行器軸之間由具有差動功能和傳動功能的連接裝置連接，差動功能使陀螺軸與飛行器軸之間夾角角度可調(diào)并兩軸之間可以行星式擺動旋轉(zhuǎn)，傳動功能使飛行器可以繞自身軸角位移旋轉(zhuǎn)，在飛行器滑翔飛行時，由于陀螺軸與飛行器軸之間帶夾角的行星擺動旋轉(zhuǎn)，使飛行器受到的空氣升阻力周期性變化，飛行軌跡呈蛇形和波浪形疊加，延長了飛行器重返大氣層過程中的飛行距離和飛行時間，同時飛行器繞自身軸角位移運動，飛行器前緣的熱應力區(qū)周期性移動，飛行時間的延長和熱應力區(qū)的移動，創(chuàng)造了對熱應力進行降溫的必要的時間和操作空間，使得飛行器可以安全地重返大氣層。
【文檔編號】B64C17/06GK103786874SQ201410045082
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月7日
【發(fā)明者】陳穗 申請人:陳穗