本發(fā)明屬于空間站物資下行領(lǐng)域，涉及一種利用液體蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)充氣的貨物下行技術(shù)，特別涉及一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器。

背景技術(shù)：

我國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需將有效載荷等物資返回地面。NASA統(tǒng)計(jì)，國(guó)際空間站貨物下行能力約占總上行質(zhì)量的20％。根據(jù)空間站任務(wù)規(guī)劃，空間站運(yùn)營(yíng)期間，物資下行總量不少于6t，目前我國(guó)飛行器僅載人飛船具備下行能力，而“神舟”飛船的下行能力僅為50-100kg，且返回艙空間較小，無(wú)法滿足空間站運(yùn)營(yíng)的需求。與此同時(shí)，空間站下行物資主要為微生物、活體樣本等，下行實(shí)時(shí)性要求高，傳統(tǒng)下行飛行器無(wú)法滿足需求。利用充氣式再入飛行器不僅可以使我國(guó)空間站下行能力大大增強(qiáng)，同時(shí)可以有效提高下行的及時(shí)性，有力的促進(jìn)了我國(guó)空間站的科學(xué)研究。

充氣式再入飛行器具有重量輕、可折疊、耐高溫的特點(diǎn)。20世紀(jì)末，隨著輕質(zhì)柔性耐高溫材料技術(shù)的突破，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)已針對(duì)充氣再入開(kāi)展了大量的研究。最具代表性的是美國(guó)的充氣式再入飛行器(IRV)，截止目前為止，IRV共進(jìn)行了3次充氣式再入飛行試驗(yàn)(IRVE)：2009年8月，IRVE-2獲得成功，飛行高度達(dá)211km。2012年7月，IRVE-3發(fā)射升空，飛行高度達(dá)451km。IRVE試驗(yàn)積累了大量的在軌飛行數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供了有力的一手資料。在IRVE系列飛行試驗(yàn)之后，NASA計(jì)劃通過(guò)高能大氣再入試驗(yàn)(HEART)項(xiàng)目，試驗(yàn)更大載荷的大氣進(jìn)入降落技術(shù)，驗(yàn)證3.3噸有效載荷在直徑約8.5m的充氣防護(hù)罩保護(hù)下，以約7km/s速度再入地球大氣的飛行情況。在歐洲航天局的協(xié)作下，俄羅斯的充氣式再入回收技術(shù)(IRDT)也在國(guó)際上付諸飛行實(shí)踐。

葉正寅、張慶等人在CN 104986358 A的專利申請(qǐng)中公開(kāi)了一種增穩(wěn)充氣式再入飛行器。在減速罩外均布有四個(gè)充氣式舵面，該發(fā)明解決了在下行過(guò)程中，現(xiàn)有航天回收技術(shù)中存在的非定常渦流干擾造成的返回艙不規(guī)則擺動(dòng)的問(wèn)題。但是，由于飛行器用氣量較大，所以相應(yīng)的必然會(huì)增大氣瓶的體積和重量，影響下行能力。

衛(wèi)劍征、譚惠豐等人在CN 104290921 A的專利中公開(kāi)了一種充氣展開(kāi)啟動(dòng)阻尼減速結(jié)構(gòu)，采用剛性球頭和柔性可充氣結(jié)構(gòu)共同保證再入過(guò)程中的減速，達(dá)到建立較為良好熱環(huán)境的目的，但是該專利的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且展開(kāi)面積大、充氣量大，致使氣瓶體積也較大，影響飛行器存放載荷的空間。

現(xiàn)有的充氣再入飛行器都是采用氣瓶攜帶氣體的方式實(shí)現(xiàn)，若在下行過(guò)程中充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)的充氣與補(bǔ)氣均使用氣瓶氣體，則必然會(huì)導(dǎo)致氣瓶體積較大，壓縮了存放下行物資的空間；此外氣瓶的重量也會(huì)隨之增加，在一定程度上影響飛行器物資下行的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器，通過(guò)設(shè)置一組補(bǔ)液組件，實(shí)現(xiàn)用液體替代部分氣體充氣的方式，利用再入飛行器下行過(guò)程所經(jīng)歷的熱環(huán)境將液體氣化，實(shí)現(xiàn)下行過(guò)程補(bǔ)氣，以解決現(xiàn)有充氣再入飛行器中存在的氣瓶體積較大、重量重等缺陷，提高再入飛行器物資下行的運(yùn)載能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器，包括充氣式再入減速系統(tǒng)，所述的充氣式再入減速系統(tǒng)包括充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)、充氣組件和補(bǔ)液組件，所述的充氣組件的一端依次通過(guò)電磁閥10、三通連接第一充氣管路，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)連通，所述的充氣組件的另一端通過(guò)電磁閥11連接第二充氣管路實(shí)現(xiàn)與所述的補(bǔ)液組件的一端連通，所述的補(bǔ)液組件的另一端依次通過(guò)補(bǔ)液管路、所述的三通連接所述的第一充氣管路，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)連通，利用所述的充氣組件的氣體的壓力將所述的補(bǔ)液組件的液體充入所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的充氣組件為一氣瓶，所述的氣瓶為鋁合金內(nèi)膽，碳纖維包覆。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的補(bǔ)液組件為一環(huán)形液瓶，所述的環(huán)形液瓶環(huán)繞于所述的氣瓶的外側(cè)。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的環(huán)形液瓶為鋁合金內(nèi)膽，碳纖維包覆。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的環(huán)形液瓶采用賦型設(shè)計(jì)，所述的環(huán)形液瓶的結(jié)構(gòu)為膜片儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的充氣式再入減速系統(tǒng)還包括收納器，所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)置于所述的收納器內(nèi)，所述的收納器設(shè)置在所述的環(huán)形液瓶的旁邊。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的再入飛行器還包括貨物艙和服務(wù)艙，所述的充氣式再入減速系統(tǒng)安裝在所述的貨物艙的前端，所述的服務(wù)艙安裝在所述的貨物艙的尾部。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的再入飛行器還包括防熱蒙皮，所述的防熱蒙皮由外向內(nèi)分別由耐熱層、隔熱層和氣密層組成，所述的防熱蒙皮設(shè)置在所述的充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)外表面的迎風(fēng)側(cè)。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)由9個(gè)充氣圓環(huán)構(gòu)成，呈倒錐形。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的氣瓶中的氣體為氦氣，所述的環(huán)形液瓶中的液體為水。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

第一.本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器采用了“集中上行，按需下行”的設(shè)計(jì)思路，解決了我國(guó)空間站下行能力不足的問(wèn)題，同時(shí)打破了傳統(tǒng)上下行一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將下行貨物化整為零，大大提高了靈活性；

第二.本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器通過(guò)使用液體替代部分氣體充氣的方式，利用再入飛行器下行過(guò)程所經(jīng)歷的熱環(huán)境將液體氣化，實(shí)現(xiàn)下行過(guò)程補(bǔ)氣，具有氣瓶體積較小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，提高了再入飛行器物資下行的運(yùn)載能力，同時(shí)帶走了下行過(guò)程的部分熱量，減少了熱控壓力；

第三.本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高，對(duì)原有充氣式再入飛行器改動(dòng)較小，易于實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器展開(kāi)后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器展開(kāi)后的俯視圖；

圖3為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器展開(kāi)前的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的充氣組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的補(bǔ)液組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的充氣組件和補(bǔ)液組件組裝后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的充氣組件和補(bǔ)液組件組裝后的俯視圖；

圖8為本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器的不同直徑充氣圓環(huán)的充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)該理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在實(shí)際應(yīng)用中本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明做出的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明，下方結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖3所示，本發(fā)明的一種利用液體蒸發(fā)充氣式的再入飛行器，包括充氣式再入減速系統(tǒng)23、貨物艙19和服務(wù)艙20，所述的充氣式再入減速系統(tǒng)23安裝在所述的貨物艙19的前端，所述的服務(wù)艙20安裝在所述的貨物艙19的尾部。請(qǐng)參見(jiàn)圖1，所述的充氣式再入減速系統(tǒng)23包括充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12、充氣組件13、補(bǔ)液組件14和收納器18，所述的充氣組件13的一端依次通過(guò)電磁閥10、三通15連接第一充氣管路16(如圖3、圖4)，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12連通；所述的充氣組件13的另一端通過(guò)電磁閥11連接第二充氣管路17，實(shí)現(xiàn)與所述的補(bǔ)液組件14的一端連通；所述的補(bǔ)液組件14的另一端依次通過(guò)補(bǔ)液管路21、所述的三通15連接所述的第一充氣管路16(如圖4、圖5和圖6)，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12連通，所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12置于所述的收納器18內(nèi)，所述的收納器18設(shè)置在所述的補(bǔ)液組件14的旁邊，圖1所示的是本發(fā)明的再入飛行器的展開(kāi)圖，所述的充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12呈倒錐形，設(shè)置在所述的貨物艙19的前端，并以120°角向所述的貨物艙19方向展開(kāi)；圖2所示的是本發(fā)明的再入飛行器的展開(kāi)前的狀態(tài)圖，即收攏狀態(tài)圖。本發(fā)明的再入飛行器主要為空間站貨物下行服務(wù)，需從空間站內(nèi)向艙外實(shí)現(xiàn)釋放，為了保證其在空間站內(nèi)的通過(guò)性，將其總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1000mm，其中充氣式再入減速系統(tǒng)23的直徑為Φ680mm，長(zhǎng)度為300mm；貨物艙19的直徑為Φ600mm，長(zhǎng)度為350mm；服務(wù)艙20的直徑為Φ600mm，長(zhǎng)度為300mm。

如圖4、圖6和圖7所示，所述的充氣組件13為一氣瓶，所述的氣瓶為2mm鋁合金內(nèi)膽，4mm碳纖維包覆的結(jié)構(gòu)，容積為10L，外徑為Φ264mm，總高240mm，所述的氣瓶13氣體充滿后的內(nèi)壓為30MPa。氣瓶13的球冠兩端分別配置有電磁閥10和電磁閥11，氣瓶13的一端依次通過(guò)電磁閥10、三通15連接第一充氣管路16，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12連通；氣瓶13的另一端通過(guò)電磁閥11連接第二充氣管路17，實(shí)現(xiàn)與所述的補(bǔ)液組件14的一端連通。

如圖5、圖6和圖7所示，所述的補(bǔ)液組件14為一環(huán)形液瓶，所述的環(huán)形液瓶14環(huán)繞于所述的氣瓶13的外側(cè)，所述的環(huán)形液瓶14為0.5mm鋁合金內(nèi)膽和1mm碳纖維包覆，容積為2.6L(考慮10％余量)，環(huán)形液瓶14采用賦型設(shè)計(jì)，套于所述的氣瓶13的外側(cè)，外徑為Φ296mm，總高240mm。本實(shí)施例中，所述的環(huán)形液瓶14的一端通過(guò)第二充氣管路17，實(shí)現(xiàn)與氣瓶13的另一端連通，同時(shí)該環(huán)形液瓶14的另一端依次通過(guò)補(bǔ)液管路21、所述的三通15連接所述的第一充氣管路16，實(shí)現(xiàn)與所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12連通。環(huán)形液瓶14的結(jié)構(gòu)為膜片儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)，利用充氣后氣瓶13的殘壓推動(dòng)膜片，將液體通過(guò)補(bǔ)液管路21、第一充氣管路16壓入充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12，實(shí)現(xiàn)液體補(bǔ)加。

所述的再入飛行器還包括防熱蒙皮22，所述的防熱蒙皮22由外向內(nèi)分別由耐熱層、隔熱層和氣密層組成，所述的防熱蒙皮22設(shè)置在所述的充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12外表面的迎風(fēng)側(cè)。耐熱層采用兩層氧化鋁陶瓷纖維布，表面涂覆SiC微粉；隔熱層迎風(fēng)側(cè)采用兩層SiO₂硅氣凝膠，背風(fēng)側(cè)采用三層PI氣凝膠，氣密層采用兩層Kapton薄膜，中間夾加芳綸織物。

所述的充氣展開(kāi)機(jī)構(gòu)12由9個(gè)充氣圓環(huán)構(gòu)成，呈倒錐形，每個(gè)圓環(huán)截面的直徑為Φ380mm。不同圓環(huán)之間采用相互獨(dú)立的方案，采用由外向內(nèi)的四向同步展開(kāi)的充氣策略，不同圓環(huán)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)一方面可以保證充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12的可靠性，另一方面有利于提高充氣量與補(bǔ)液量的定量控制能力。

所述的氣瓶13中的氣體為氦氣，也可以選擇其他具有無(wú)毒、安全等特點(diǎn)的氣體；所述的環(huán)形液瓶14中的液體為水，也可以選擇其他具有安全、無(wú)毒、沸點(diǎn)低和冰點(diǎn)低等特點(diǎn)的溶劑。

如圖8所示，本發(fā)明的再入飛行器利用液體蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)展開(kāi)的不同直徑充氣圓環(huán)的充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本發(fā)明的再入飛行器在初始狀態(tài)下，電磁閥1-11都處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)需要對(duì)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12充氣時(shí)，首先將電磁閥1設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)，將電磁閥10設(shè)置為開(kāi)啟周期為100ms的狀態(tài)，通過(guò)控制電磁閥10的開(kāi)關(guān)次數(shù)，由充氣組件13向CV1中定量充氣，當(dāng)CV1的氣壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥1；接著打開(kāi)電磁閥2，當(dāng)CV2的氣壓也達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥2；繼續(xù)同上操作，直至CV9中的氣壓也達(dá)到預(yù)定值，此時(shí)，關(guān)閉所有電磁閥；然后，開(kāi)啟電磁閥11，使水充滿管路，并依次對(duì)CV1-CV9進(jìn)行液體定量補(bǔ)加。

為了更好的理解本發(fā)明的再入飛行器再入飛行的操作過(guò)程，以下內(nèi)容將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的內(nèi)容。首先，將再入飛行器從空間站中釋放，當(dāng)其進(jìn)入再入軌道后，發(fā)出指令打開(kāi)電磁閥對(duì)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12進(jìn)行充氣，充氣完成后，保證充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12的內(nèi)壓不小于0.05MPa。充氣完成后，關(guān)閉全部電磁閥，向電磁閥11發(fā)出開(kāi)啟指令，保證充氣組件13與補(bǔ)液組件14實(shí)現(xiàn)連通，通過(guò)充氣組件中的殘壓將水充滿補(bǔ)液管路21、第一充氣管路16。首先將電磁閥1設(shè)置為開(kāi)啟周期為10ms的狀態(tài)，利用氦氣氣瓶的殘壓(不小于0.7MPa)將水定量的壓入CV1中，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水量的控制，當(dāng)水量達(dá)到要求后，關(guān)閉電磁閥1；繼續(xù)同上操作直至將CV2-CV9都注入要求的水量。為保證充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12剛性要求，其內(nèi)外壓差需不小于0.1MPa，下行過(guò)程中，利用飛行器經(jīng)歷的熱環(huán)境將水氣化，可達(dá)到對(duì)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)12的每個(gè)獨(dú)立充氣圓環(huán)補(bǔ)壓至不小于0.2MPa的目標(biāo)。本發(fā)明利用下行熱量將液體氣化，實(shí)現(xiàn)下行過(guò)程補(bǔ)氣。一方面減少了對(duì)充氣組件體積、質(zhì)量的要求，為下行載荷提供更多的空間及質(zhì)量；另一方面帶走下行過(guò)程部分熱量，減少熱控壓力。

以上公開(kāi)的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書(shū)選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書(shū)及其全部范圍和等效物的限制。