一种星球表面着陆系统技术方案

一种星球表面着陆系统，包括载荷舱、连接机构和火箭旋翼组合发动机，载荷舱用于承载有效载荷和存储推进剂，一个以上的火箭旋翼组合发动机通过连接机构与载荷舱连接，所述火箭旋翼组合发动机包括外壳、旋翼以及设置在外壳内用于驱动旋翼的动力系统，所述旋翼设置在外壳的顶部且与外壳内的动力系统连接，旋翼在动力系统的驱动下旋转产生气动升力，提供着陆时星球表面着陆系统减速所需要的阻力，通过调节各火箭旋翼组合发动机上旋翼的转速，实现整个星球表面着陆系统的俯仰、滚转和偏航运动。通过使用火箭与旋翼的组合作为动力，充分减小了火箭尾气带走的能量，并且通过改变旋翼转速来实现飞行器的姿态控制，能够较好地解决现有技术中存在的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于星球着陆设备
，具体涉及一种用于有大气星球的表面着陆系统。
技术介绍
目前世界各航天大国都在积极开展星球探测，美国、欧洲、俄罗斯、印度等国均已宣布了各自的火星探测或月球探测计划，中国也宣布在2020年开展火星探测的任务。星球着陆又称星球进入、下降和着陆(Entry,DescentandLanding,EDL)，用于将航天员、设备等有效载荷从星球轨道投送到星球表面，虽然时间很短，却是星球探测最为关键的技术之一。一般火星着陆器经降落伞减速后，接近火星表面时的稳定下降速仍在55～90m/s左右，因此，在触地之前需将着陆系统的速度进一步减小到触地装置允许的速度范围内，以完成有效载荷的星球表面投送。参考文献“R.D.Braun,R.M.Manning,MarsExplorationEntry,Descent,andLandingChallenges.JournalofSpacecraftandRockets,Vol.44:310-323,2007”公开了一种着陆系统，文章对“海盗号”的着陆任务进行了描述，该着陆系统采用的是单组元变推力火箭发动机，可以将着陆垂直速度减小到2.4m/s左右，着陆水平速度小于1m/s，最后使用着陆支架进行缓冲着陆。参考文献“P.Desai,P.Knocke,MarsExplorationRoversEntry,Descent,andLandingTrajectoryAnalysis.AIAA/AASAstrodynamicsSpecialistConferenceandExhibit,AIAA,Reston,VA,2004”指出，“火星漫游者”的着陆系统采用固体火箭发动机进行末端减速，着陆垂直速度8m/s左右，着陆水平速度11.5m/s左右，然后释放包裹火星车的缓冲气囊，完成着陆缓冲。参考文献“D.W.Wayetal.MarsScienceLaboratory:Entry,Descent,andLandingSystemPerformance.NASALF99-3989,2006”描述了“火星科学实验室”的着陆系统，该系统由8台变推力火箭发动机提供动力，用于将垂直速度减小到0.75m/s，然后通过吊索将“好奇号”火星车释放到地面。由以上研究可以看出，当前着陆系统的动力均使用火箭发动机。而火箭发动机主要是利用高速气流的反推作用产生推力的，高速尾气会带走很大一部分能量，推进剂的能量未能有效利用，因此存在推进效率低的问题。再者，当前着陆系统都是通过若干个火箭发动机来实现飞行器俯仰、偏航和滚转等姿态控制，由于火箭发动机推力大小和矢量控制存在延时以及后效冲量等，导致着陆器的姿态控制复杂且困难，且着陆速度较大，因此存在着陆精度差的问题。火星环境复杂，很多不确定性因素会影响着陆精度，现有着陆系统不具备精确着陆的功能，无法实现较高着陆精度的目标。
技术实现思路
为了克服现有技术中着陆系统推进效率低，着陆系统着陆精度差的些缺陷，本专利技术提出了一种星球表面着陆系统，通过使用火箭与旋翼的组合作为动力，充分减小了火箭尾气带走的能量，并且通过改变旋翼转速来实现飞行器的姿态控制，能够较好地解决现有技术中存在的问题。本专利技术采用的技术方案是：一种星球表面着陆系统，包括载荷舱、连接机构和火箭旋翼组合发动机，载荷舱用于承载有效载荷和存储推进剂，一个以上的火箭旋翼组合发动机通过连接机构与载荷舱连接，所述火箭旋翼组合发动机包括外壳、旋翼以及设置在外壳内用于驱动旋翼的动力系统，所述旋翼设置在外壳的顶部且与外壳内的动力系统连接，旋翼在动力系统的驱动下旋转产生气动升力，提供着陆时星球表面着陆系统减速所需要的阻力，通过调节各火箭旋翼组合发动机上旋翼的转速，实现整个星球表面着陆系统的俯仰、滚转和偏航运动。本专利技术所述载荷舱的气动外形采用“水滴”构型，底部为球冠状，用于增大气动阻力和提高体积空间。本专利技术所采用的连接机构可以采用伸缩式的连接管杆、可折叠的连杆、液压驱动的伸缩杆等形式实现，这些连接结构在现有技术中已经非常成熟。如参照文献：可伸缩折叠式四旋翼飞行器设计，李波陈等，机械研究与应用，2015年第2期，p121-124。当火箭旋翼组合发动机为一个时，则采用载荷舱和火箭旋翼组合发动机一体式结构设计，用于驱动旋翼的动力系统设置在载荷舱内部，旋翼的位置设置在载荷舱的正上方，其形式为共轴双旋翼。火箭旋翼组合发动机和载荷舱一体化结构设计，是指火箭旋翼组合发动机其用于驱动旋翼的动力系统设置在载荷舱内部，旋翼设置在载荷舱的正上方，动力系统的输出端与旋翼的转轴连接。共轴双旋翼是指具有两个旋翼且两个旋翼安装在同一转轴上，由转轴同时驱动，两个旋翼安装在转轴的不同高度位置处。当火箭旋翼组合发动机为两个以上时，火箭旋翼组合发动机中采用的旋翼为单旋翼。所有的火箭旋翼组合发动机均均匀分布在载荷舱的外围。进一步地所有的火箭旋翼组合发动机位于同一平面上且所在平面与载荷舱的轴线垂直。所述火箭旋翼组合发动机的数目根据具体情况设置，一般设为两个、三个、四个或五个。如火箭旋翼组合发动机为两个则同轴且对称分布。进一步地，所述火箭旋翼组合发动机包括压气机、环形混合室、高压涡轮、低压涡轮、尾喷管、燃气发生器、内轴、外轴、进气口、外壳、氧化剂供应管路、燃料供应管路和旋翼桨盘；所述外壳上开设有进气口，外壳内的压气机通过进气口吸入大气，所述环形混合室位于压气机的下方，所述压气机的出口端连接环形混合室的入口端，所述环形混合室的外围连接有一台以上的燃气发生器，所述环形混合室的下方设置有高压涡轮，高压涡轮通过外轴与压气机连接并带动压气机转动，用于将混合气体的内能转化成压气机的机械能；低压涡轮设置在高压涡轮的下方，并通过内轴与外壳外的旋翼桨盘连接，低压涡轮通过内轴带动旋翼桨盘转动，用于将混合气体的内能转化成旋翼桨盘的机械能；尾喷管设置在环形混合室的出口端，尾喷管应是具有收缩段、喉部以及扩张段拉法尔喷管，尾喷管收缩段的顶端与环形混合室的出口连接，尾喷管扩张段的尾端与外壳相连接，尾喷管用于将混合气体的内能转换成火箭旋翼组合发动机的动能，外壳与尾喷管出口相连接。进一步地，所述进气口开设在外壳的顶部，进气口的位置与外壳内压气机的进气口相对应。进一步地，所述环形混合室的外围连接有一台以上的燃气发生器，一台以上的燃气发生器均分别通过弯管与环形混合室联通，一台以上的燃气发生器成轴对称分布在环形混合室的外围。进一步地，所述燃气发生器均与氧化剂供应管路和燃料供应管路连接，氧化剂供应管路和燃料供应管路上均设置有与燃气发生器一一对应的输出接口且输出接口均位于燃气发生器的上方，氧化剂供应管路和燃料供应管路通过输出接口为各燃气发生器提供氧化剂和燃料，氧化剂供应管路和燃料供应管路的输入端分别连接在外壳上设置的氧化剂供应接口和燃料供应接口上。进一步地，所述氧化剂供应管路以及燃料供应管路均呈环形分布，且氧化剂供应管路以及燃料供应管路均设置在燃气发生器的上方。进一步地，在氧化剂供应管路和外壳之间还包括氧化剂流量调节元件，用于调节进入燃气发生器的氧化剂流量；在燃料供应管路和外壳之间还包括燃料流量调节元件，用于调节进入燃气发生器的燃料流量。进一步地，氧化剂流量调节元件是氧化剂可调汽蚀文氏管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星球表面着陆系统，其特征在于，包括载荷舱、连接机构和火箭旋翼组合发动机，载荷舱用于承载有效载荷和存储推进剂，一个以上的火箭旋翼组合发动机通过连接机构与载荷舱连接，所述火箭旋翼组合发动机包括外壳、旋翼以及设置在外壳内用于驱动旋翼的动力系统，所述旋翼设置在外壳的顶部且与外壳内的动力系统连接，旋翼在动力系统的驱动下旋转产生气动升力，提供着陆时星球表面着陆系统减速所需要的阻力，通过调节各火箭旋翼组合发动机上旋翼的转速，实现整个星球表面着陆系统的俯仰、滚转和偏航运动。

【技术特征摘要】
1.一种星球表面着陆系统，其特征在于，包括载荷舱、连接机构和火箭旋翼组合发动机，载荷舱用于承载有效载荷和存储推进剂，一个以上的火箭旋翼组合发动机通过连接机构与载荷舱连接，所述火箭旋翼组合发动机包括外壳、旋翼以及设置在外壳内用于驱动旋翼的动力系统，所述旋翼设置在外壳的顶部且与外壳内的动力系统连接，旋翼在动力系统的驱动下旋转产生气动升力，提供着陆时星球表面着陆系统减速所需要的阻力，通过调节各火箭旋翼组合发动机上旋翼的转速，实现整个星球表面着陆系统的俯仰、滚转和偏航运动。2.根据权利要求1所述的星球表面着陆系统，其特征在于，所述载荷舱的气动外形采用“水滴”构型，底部为球冠状，用于增大气动阻力和提高体积空间。3.根据权利要求1所述的星球表面着陆系统，其特征在于，所述火箭旋翼组合发动机为一个，火箭旋翼组合发动机和载荷舱一体化结构设计，用于驱动旋翼的动力系统设置在载荷舱内部，旋翼的位置设置在载荷舱的正上方且其形式为共轴双旋翼。4.根据权利要求1所述的星球表面着陆系统，其特征在于，所述火箭旋翼组合发动机为两个以上，火箭旋翼组合发动机中采用的旋翼为单旋翼，所有的火箭旋翼组合发动机均均匀分布在载荷舱的外围。5.根据权利要求1、2、3或4所述的星球表面着陆系统，其特征在于，所述火箭旋翼组合发动机包括压气机、环形混合室、高压涡轮、低压涡轮、尾喷管、燃气发生器、内轴、外轴、进气口、外壳、氧化剂供应管路、燃料供应管路和旋翼桨盘；所述外壳上开设有进气口，外壳内的压气机通过进气口吸入大气，所述环形混合室位于压气机的下方，所述压气机的出口端连接环形混合室的入口端，所述环形混合室的外围连接有一台以上的燃气发生器，所述环形混合室的下方设置有高压涡轮，高压涡轮通过外轴与压气机连接并带动压气机转动，用于将混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清廉，张北辰，崔朋，王旭，王小波，胡润生，刘昕晨，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43