轨迹可控的变体充气式减速装置及轨迹控制方法

技术领域

本申请涉及减速器技术领域，特别是涉及一种轨迹可控的变体充气式减速装置及轨迹控制方法。

背景技术

充气式气动减速器(Inflatable Aerodynamic Decelerator，IAD)是一种由柔性织物构成的可展开气动减速装置，充气式减速器构造简单，便于折叠携带，具有重量轻、有效载荷比大、发射成本低等特点，解决了传统返回技术中刚性返回舱的质量太大、试验成本过高、无法反复使用且设计尺寸受限太多的这一系列缺点。根据减速器和载荷体的结合形式，充气式减速器可分为拖尾式和附贴式。附贴式充气式减速器(Attached inflationdecelerator,AID)常采用阻力锥充气外形，通常和载荷体进行一体化设计。附贴式充气式减速器由可充气圆环、柔性热防护系统、刚性防热头锥、绑带、载荷舱等构成。目前国内外附贴式充气式减速器方案均采用被动式着陆方案，因此具有落点可控性差、精度低、搜索困难等缺点，因此需要设计一种可实现高精度落点控制的方案。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够控制飞行器轨迹的轨迹可控的变体充气式减速装置及轨迹控制方法。

一种轨迹可控的变体充气式减速装置，包括倒锥形减速器，所述减速器的内锥中心设置有装置舱，所述减速器为可充气式气囊，所述气囊锥面内侧设置有操纵部；

所述装置舱上设置有若干驱动件；各所述驱动件通过牵引件与所述操纵部连接；

所述装置舱内设置有控制单元，所述控制单元与所述驱动件电连接，用于控制所述驱动件带动所述牵引件沿径向运动。

其中一个实施例中，还包括充排气组件；

所述充排气组件设置在所述装置舱内，并与所述控制单元电连接，用于对所述减速器进行充气或排气。

其中一个实施例中，所述充排气组件包括充气舱、电磁阀、排气阀及充气通道；

所述充气舱通过所述充气通道与所述减速器气囊连通；

所述电磁阀设置在所述充气舱出口附近，并位于所述充气通道内，用于控制所述减速器充气；

所述排气阀设置在所述充气通道内，用于控制所述减速器排气。

其中一个实施例中，所述减速器气囊锥面包括互不相通的若干锥瓣；

所述充排气组件分别对各所述锥瓣进行充气或排气。

其中一个实施例中，还包括导航控制舱；

所述导航控制舱设置在所述装置舱内，与所述控制单元电连接，用于向所述控制单元发送数据信息。

其中一个实施例中，所述导航控制舱内设置有定位单元、导航单元及姿态检测单元。

其中一个实施例中，还包括载荷舱；

所述载荷舱设置在所述装置舱内，并位于所述装置舱顶端，用于放置目标物品。

一种轨迹控制方法，，所述方法包括：

载荷舱载入目标物品；

充排气组件接收控制单元指令，对减速器进行充气，所述减速器充气后增加阻力面积，离开原轨道进入再入轨道，完成减速；

各驱动件分别接收控制单元指令，驱动所述牵引件沿径向拉动，从而控制所述减速器表面变形量，以调整所述减速器飞行姿态。

其中一个实施例中，所述减速器表面变形量通过变形曲线拟合函数确定；

所述变形曲线拟合函数表示为：

0≤x＜a,

a≤x≤2a,

式中，Δl表示操纵节点处垂直于母线变形量；Δs表示舵机操纵量；a表示锥顶至操纵节点的距离；x表示锥顶至变形处距离；h表示倒锥形的高度。

其中一个实施例中，将所述减速器气囊锥面分割成互不相通的若干锥瓣；

充排气组件接收控制单元指令，对相应锥瓣进行排气，配合所述驱动件对所述减速器进行飞行姿态调整。

相较于现有技术，本发明提供的轨迹可控的变体充气式减速装置及轨迹控制方法具有以下效果：

1.通过驱动件与牵引件的配合对减速器气囊锥面施加拉伸力，从而改变减速器的外形，引起减速器姿态变化，形成偏转，从而控制减速器的运动轨迹，最终到达设定着陆点。

附图说明

图1为实施例1中轨迹可控的变体充气式减速装置轴测图；

图2为实施例1中轨迹可控的变体充气式减速装置剖面示意图；

图3为实施例1中轨迹可控的变体充气式减速装置单边变形示意图；

图4为实施例1中轨迹可控的变体充气式减速装置多边变形示意图；

图5为实施例2中轨迹可控的变体充气式减速方法流程示意图；

图6为实施例2中轨迹可控的变体充气式减速装置变形量计算示意图；

附图标记说明：

减速器11，锥瓣111，操纵部112，装置舱22，载荷舱221，控制单元222，导航控制舱223，充气舱224，气囊折叠舱225，驱动件33，牵引件44。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

实施例1

参阅1至图4，提供了一种轨迹可控的变体充气式减速装置，包括减速器11，减速器11为倒锥形的可充气气囊结构，在该气囊锥面内侧设置有操纵部112，中心位置设置有装置舱22，在装置舱22上设置有若干驱动件33，各驱动件33通过牵引件44与操纵部112连接；在装置舱22内设置有控制单元222，控制单元222与驱动件33电连接，用于控制驱动件33，从而带动牵引件44沿径向运动。值得说明的是，驱动件33可以设置在装置舱22的内部，也可以根据需求沿装置舱外表周向阵列设置；设置在内部时，装置舱22上贯穿设置有与驱动件33数量相对应的通孔，以便于牵引件44穿过通孔与驱动件44相连接。控制单元222为微型控制系统，为核心控制系统，主要用于向载荷舱221、驱动件33、充排气组件及导航控制舱223发送指令。比如，该微型控制系统具有压力传感器，通过压力传感器监测减速器气囊的充气压力，当充气压力达到阈值时，发送指令给充排气组件，以停止充气或排气。

如图2所示，装置舱22内还设置有载荷舱221、导航控制舱223、充排气组件中的充气舱224及气囊折叠舱225，载荷舱221设置在装置舱22的顶端，主要用于放置目标物品，比如放置通过捕获机构捕获的回收目标，或者航天器返回、应急救援运输物品等；气囊折叠舱225用于存储还未充气的减速器气囊，并在接收到控制单元222的指令后，释放减速器气囊。充排气组件、导航控制舱223、气囊折叠舱225分别与控制单元222电连接，用于接收控制单元222的指令信息。值得说明的是，处理载荷舱221设置在装置舱22的顶部，其他舱体可以根据需求进行设置，图2仅作为其中一种展示，不是具体限定其布置方式。

具体地，减速器11的倒锥形气囊结构主要由若干可充气的圆环沿径向扩展堆叠而成，一般设置9个，充气圆环之间为连通状态。在该气囊锥面内侧，沿锥心至顶面端部方向的中心位置附近设置有操纵部112，操纵部112具有连接孔，以便牵引件44固定。驱动件33一般设置为2的偶数倍，比如2个、4个、6个等，操纵部112根据驱动件33的数量进行相应设置，二者通过牵引件44连接，通过驱动件33独立控制对应的操纵部112，从而实现多个角度的独立调整。工作时，根据减速器11需要变形的具体位置，控制单元222发送指令至相应的驱动件33，通过驱动件33对牵引件44施加拉力，从而带动操纵部112处的截面发生变形，进而改变减速器的运动轨迹，实现姿态控制。如图3和图4所示，分别给出了减速器单边变形的示意图及多边变形示意图。

值得说明的是，驱动件33为电机，优选舵机；牵引件44可以为刚性杆件、柔性杆件或者柔性操纵索，具体根据需求进行选择，为了便于折叠，同时考虑经济性，优选柔性操纵索。

充排气组件主要用于对减速器气囊进行充气或排气，包括充气舱224、电磁阀、排气阀及充气通道。充气舱224设置在装置舱22内，主要用于存储氮气，一般为高压氮气瓶。充气舱224通过充气通道与减速器11的气囊连通；电磁阀与控制单元15电连接，其设置在充气舱出口附近，并位于充气通道内，用于控制减速器充气；排气阀与控制单元15电连接，其设置在充气通道内，用于控制减速器排气。

导航控制舱223设置在装置舱22内，与控制单元222电连接，用于向控制单元222发送数据信息。具体地，导航控制舱223内设置有定位单元、导航单元及姿态检测单元，这些单元均为微型电子器件，定位单元主要获取减速装置的位置信息，导航单元主要获取目着陆点信息，姿态检测单元则实时检测减速装置的姿态信息，各单元将相关数据发送至操控组件，以便于操控组件整合信息后进行相应操作，调整减速装置的姿态，以实现到达目的着陆点。

值得说明的是，减速器11选用柔性防热材料，并且减速器11表面有隔热蒙皮覆盖，以用于阻隔热流。

工作时，载荷舱221获取目标物品后将目标物品收入载荷舱221内，控制单元222发送指令，控制充气舱224通过充气通道向减速器11内充入氮气，控制单元同时监控减速器11内的充气压力，当充气压力达到阈值后，停止充气。减速器11增阻离轨，脱离原轨道，进入再入轨道，实现减速。

当减速器11减速至相对低速时，根据着陆点的位置信息，控制单元222根据驱减速器11的变形量数据，向驱动件33发送指令，驱动件33根据指令分别操控对应的牵引件44，从而带动操纵部112处的截面发生变形，使减速器11的表面形成对称或者非对称变形，从而影响流场，获得操纵减速器11姿态和轨迹的气动力，形成偏转，进而控制减速器11的运动轨迹，使得减速器11到达着陆点。

在其中一个实施例中，将减速器的锥面分割成互不相通的若干锥瓣111，每个锥瓣111内的气囊为连通状态，充排气组件中的充气通道根据锥瓣111的数量进行设置，每个锥瓣111分别通过充气通道与充气舱224连通，充气舱224出口处设置一个电磁阀，通过一个电磁阀控制所有锥瓣111的充气；而每个充气通道内分别设置有排气阀，通过各排气阀的独立工作，分别对各锥瓣111进行排气。

可以理解，将减速器气囊进行分割后，通过充排气组件独立控制各锥瓣111的充气气压，然后配合驱动件33，从而实现对减速器更加灵活的姿态控制。

优选地，为了实现稳定控制，锥瓣111的数量一般为2的偶数倍。

本发明提供了一种轨迹可控的变体充气式减速器，通过减速器充气，实现航天的增阻离轨，充气减速器表面采用隔热材料，保护减速器在返回过程中不会被高温破坏。同时当减速器进入大气层，通过驱动件33控制牵引件44拉伸来改变减速器11的气动外形，通过减速器11的对称或非对称外形，改变其气动力，从而使得减速器11具有姿态可调、轨迹可控的效果，实现减速器11准确着陆。

实施例2

如图5和图6所示，提供了一种轨迹控制方法，包括以下步骤：

步骤102，载荷舱载入目标物品。

步骤104，充排气组件接收控制单元指令，对减速器进行充气，减速器充气后增加阻力面积，离开原轨道进入再入轨道，完成减速。

步骤106，各驱动件分别接收控制单元指令，驱动牵引件沿径向拉动，从而控制减速器表面变形量，以调整减速器飞行姿态。

其中一个实施例中，如图6所示，虚线表示变形前减速器外形及牵引件位置；黑色实线表示变形后减速器外形及牵引件位置，其中，变形几何关系表示为：

Δl＝2Δs；

每个操纵部即为一个操纵节点，各操纵节点通过单自由度的操纵，实现减速器变体操纵。变形曲线拟合函数仅取决于操纵量Δl和操纵节点a。

减速器表面x处的变形量通过变形曲线拟合函数确定；

变形曲线拟合函数表示为：

0≤x＜a,

a≤x≤2a,

式中，Δl表示操纵节点处垂直于母线变形量；Δs表示舵机操纵量；a表示锥顶至操纵节点的距离；x表示锥顶至变形处距离；h表示倒锥形的高度。

其中一个实施例中，将所述减速器气囊锥面分割成互不相通的若干锥瓣；

充排气组件接收控制单元指令，对相应锥瓣进行排气，配合所述驱动件对所述减速器进行飞行姿态调整。

应该理解的是，虽然图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。