一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置

技术领域

本发明属于航天器再入返回与着陆领域，涉及一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置。

背景技术

返回式航天器在轨需经历多次变轨、环月等任务，为减小在轨结构质量、节省燃料消耗，需在航天器入轨后把刚性头罩抛离，但这将导致航天器再入返回过程对接机构等多个仪器设备暴露在外界高温气体环境内，无法实现返回式航天器重复使用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，利用结构内外压差维持结构刚度，并利用其表面柔性热防护结构抵御外部高温气流，以达到对返回式航天器肩部仪器设备的热力学防护需求。

本发明解决技术的方案是：

一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，包括连接安装板、锁紧结构、防护头罩柔性展开结构和封包绳切割器；其中，连接安装板为水平放置的圆盘结构；连接安装板的上表面同心设置有环状凹槽；锁紧结构沿周向均匀嵌在凹槽中；防护头罩柔性展开结构折叠后锁定在连接安装板的上表面，且位于环状凹槽处；封包绳切割器设置在防护头罩柔性展开结构的下方。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，可展开防护头罩装置的工作过程为：

封包绳切割器切割解锁防护头罩柔性展开结构；防护头罩柔性展开结构释放展开成倒置的圆盘状结构；通过锁紧结构锁定在连接安装板上表面的中部。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述防护头罩柔性展开结构包括骨架气囊结构和柔性蒙皮结构；其中，骨架气囊结构为同心双环形结构；柔性蒙皮结构覆盖在骨架气囊结构的上表面。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述双环形的骨架气囊结构，外环底部沿周向均匀设置有锁定连接结构；防护头罩柔性展开结构展开后，锁定连接结构与锁紧结构一一对接，实现将防护头罩柔性展开结构锁定在连接安装板上表面。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述双环形的骨架气囊结构外环底部设置有固定压片；通过固定压片实现将折叠后的柔性展开结构锁定在连接安装板上。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述双环形的骨架气囊结构外环底部设置有进气阀；进气阀位于固定压片处；当封包绳切割器解锁防护头罩柔性展开结构后，通过进气阀向防护头罩柔性展开结构内部充气，实现防护头罩柔性展开结构的伸展打开。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述柔性蒙皮结构分为三层，从上至下依次为耐烧蚀层、多层隔热层和承力层。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，所述耐烧蚀层用于承受外界高温气流的冲刷，实现对内部结构的力学防护，其材料根据表面温度不同选取改性玻璃纤维布、氧化铝纤维布或石英纤维布耐高温织物材料；多层隔热层用于隔绝外界环境热流，对内部结构实现热防护，其材料根据隔热性能要求选取氧化铝气凝胶隔热毡、二氧化硅气凝胶隔热毡柔性隔热材料；承力层用于传递外界气动力作用以及固定耐烧蚀层和多层隔热层；承力层材料根据受力情况选取芳纶纤维、锦纶纤维、或聚酰亚胺纤维高强有机纤维。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，利用锁紧结构自身扭簧类弹性结构，通过摆杆的定轴转动实现对防护头罩柔性展开结构的锁紧限位。

在上述的一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，封包绳切割器数量为2～4个；封包绳切割器表面覆有柔性隔热多层材料，实现在轨的热防护。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用充气式骨架气囊结构和柔性隔热蒙皮结构的组合应用，在轨展开形成柔性可展开防护结构，实现返回式航天器肩部结构的热力学防护，实现仪器设备的重复使用要求，大大降低航天器发射成本；

(2)本发明结构发射时处于收拢折叠包装状态，并且材料大都选用密度小的聚合物材料和无机隔热材料，发射体积小、发射重量轻，并且结构可长期储存、快速响应；

(3)本发明为柔性结构，可适应多种折叠形状、尺寸等状态需求；

(4)本发明可推广至空间货物制品下行、火箭导弹高超声速减速等任务需求中。

附图说明

图1为本发明防护头罩柔性展开结构折叠状态示意图；

图2为本发明防护头罩柔性展开结构展开状态示意图；

图3为本发明防护头罩柔性展开结构示意图；

图4为本发明柔性蒙皮结构分层示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，该装置随航天器发射并处于折叠收拢状态，航天器再入前在装置内部气源驱动下进行充气展开到位同时实现锁定，利用结构内外压差维持结构刚度，并利用其表面柔性热防护结构抵御外部高温气流，以达到对返回式航天器肩部仪器设备的热力学防护需求。

用于返回式航天器的柔性可展开防护头罩装置，如图1所示，具体包括连接安装板1、锁紧结构2、防护头罩柔性展开结构3和封包绳切割器4；其中，连接安装板1为水平放置的圆盘结构；连接安装板1的上表面同心设置有环状凹槽；锁紧结构2沿周向均匀嵌在凹槽中；防护头罩柔性展开结构3折叠后锁定在连接安装板1的上表面，且位于环状凹槽处；封包绳切割器4设置在防护头罩柔性展开结构3的下方。

可展开防护头罩装置的工作过程为：

封包绳切割器4切割解锁防护头罩柔性展开结构3；防护头罩柔性展开结构3释放展开成倒置的圆盘状结构；通过锁紧结构2锁定在连接安装板1上表面的中部，如图2所示。

如图3所示，防护头罩柔性展开结构3包括骨架气囊结构6和柔性蒙皮结构5；其中，骨架气囊结构6为同心双环形结构；柔性蒙皮结构5覆盖在骨架气囊结构6的上表面。

柔性蒙皮结构5和骨架气囊结构6采用扣袢和连接绳穿插实现结构连接固定，并采用固定压片9固定在连接安装板1上，封包绳切割器4固定在防护头罩柔性展开结构3侧面，锁紧结构2均布在连接安装板1凹槽处。结构工作时，对封包绳切割器4供电，实现对防护头罩柔性展开结构3的封包解锁；然后采用气瓶或燃气发生器等气源装置通过对骨架气囊进气阀8供气，在气体作用下防护头罩柔性展开结构3展开到位、建立压差并维持形状；根据到位信号，对锁紧结构2供气作动，使其实现对防护头罩柔性展开结构3的锁紧限位。

双环形的骨架气囊结构6，外环底部沿周向均匀设置有锁定连接结构7；防护头罩柔性展开结构3展开后，锁定连接结构7与锁紧结构2一一对接，实现将防护头罩柔性展开结构3锁定在连接安装板1上表面。

双环形的骨架气囊结构6外环底部设置有固定压片9；通过固定压片9实现将折叠后的柔性展开结构3锁定在连接安装板1上。

双环形的骨架气囊结构6外环底部设置有进气阀8；进气阀8位于固定压片9处；当封包绳切割器4解锁防护头罩柔性展开结构3后，通过进气阀8向防护头罩柔性展开结构3内部充气，实现防护头罩柔性展开结构3的伸展打开。

如图4所示，柔性蒙皮结构5分为三层，从上至下依次为耐烧蚀层10、多层隔热层11和承力层12。其中，耐烧蚀层10用于承受外界高温气流的冲刷，实现对内部结构的力学防护，其材料根据表面温度不同选取改性玻璃纤维布、氧化铝纤维布或石英纤维布耐高温织物材料；多层隔热层11用于隔绝外界环境热流，对内部结构实现热防护，其材料根据隔热性能要求选取氧化铝气凝胶隔热毡、二氧化硅气凝胶隔热毡柔性隔热材料；承力层12用于传递外界气动力作用以及固定耐烧蚀层10和多层隔热层11；承力层12材料根据受力情况选取芳纶纤维、锦纶纤维、或聚酰亚胺纤维高强有机纤维。

利用锁紧结构2自身扭簧类弹性结构，通过摆杆的定轴转动实现对防护头罩柔性展开结构3的锁紧限位。

封包绳切割器4数量为2～4个；封包绳切割器4表面覆有柔性隔热多层材料，实现在轨的热防护。

本发明中，防护头罩柔性展开结构3为柔性可展开防护头罩装置主体结构，用于实现结构的充气作动展开，并为返回式航天器肩部仪器设备提供热力学防护。防护头罩柔性展开结构3由骨架气囊结构6和柔性蒙皮结构5组成，其中骨架气囊结构6由2～5层多边形圆环组成，多层圆环间采用纵向支撑管进行连接，在底部圆环上均布数量为n的锁定连接结构7，底部多边形圆环的边数为n+1的整数倍；底部多边形边数范围为16～50，顶部多边形圆环截面直径为底部多边形圆环截面直径的0.5～1倍，纵向支撑管可根据相邻多边形圆环截面直径设定相贯处尺寸；骨架气囊结构6材料为纤维覆膜材料，可实现气密和承力一体化成型，其中纤维可根据受力情况选取芳纶纤维、锦纶纤维、聚酰亚胺纤维等高强有机纤维，气密薄膜可根据环境温度选用TPU薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜等气密有机薄膜材料。柔性蒙皮结构5由耐烧蚀层10、多层隔热层11和承力层12组成，其中耐烧蚀层10用于承受外界高温气流的冲刷，实现对内部结构的力学防护，其材料可根据表面温度不同选取改性玻璃纤维布、氧化铝纤维布、石英纤维布等耐高温织物材料；多层隔热层11用于隔绝外界环境热流，对内部结构实现热防护，其材料根据隔热性能要求可选取氧化铝气凝胶隔热毡、二氧化硅气凝胶隔热毡等柔性隔热材料；承力层12用于传递外界气动力作用、固定耐烧蚀层10和多层隔热层11并实现柔性蒙皮结构5与骨架气囊结构6的连接，其材料可根据受力情况选取芳纶纤维、锦纶纤维、聚酰亚胺纤维等高强有机纤维。

锁紧结构2用于实现防护头罩柔性展开结构3展开到位后的锁紧固定，锁紧结构2预置在连接安装板1缝隙下侧，其中缝隙宽度可根据需要选取20mm～100mm。结构工作时利用锁紧结构2自身扭簧类弹性结构，通过摆杆的定轴转动实现实现对防护头罩柔性展开结构3的锁紧限位。

封包绳切割器4用于实现对防护头罩柔性展开结构3的封包解除，其中采用多个切割器并联分别切割多个封包绳的方式，以防止防护头罩柔性展开结构3误展开。封包绳切割器4数量可选用2～4个，其切割能力根据封包绳材料强度进行确定。封包绳切割器4表面覆有柔性隔热多层材料，以实现在轨的热防护。

本发明采用充气式骨架气囊结构和柔性隔热蒙皮结构的组合应用，通过发射体积小、发射重量、可长期储存的柔性可展开防护头罩装置，在轨充气展开锁定，对返回式航天器肩部仪器设备实现有效热力学防护，实现仪器设备的重复使用要求，大大降低航天器发射成本。本发明可推广至空间货物制品下行、火箭导弹高超声速减速等任务需求中，满足多种折叠包装包络的使用要求，极大的提高结构的任务适应性和可替换性，方案具有创新、简洁、高效的特点。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。