一种用于运载火箭的级间分离系统及其级间分离方法

技术领域

本发明涉及火箭级间分离技术领域，具体涉及一种用于运载火箭的级间分离系统及其级间分离方法。

背景技术

随着科技的不断进步，运载火箭作为运载工具正从一次性阶段向多次重复使用阶段迈进，对于分离子级回收复用式运载火箭而言，在保证运载火箭飞行的前提下，应尽量减少整个飞行任务期间对运载火箭分离子级结构、姿态等造成的不良影响。为避免级间分离对分离子级的热流冲击，分离子级回收复用式的运载火箭的级间分离均采用冷分离。

在实际应用过程中，火箭分离分为热分离和冷分离，热分离方案是利用二级发动机尾流将一级、二级火箭分离，而冷分离方式采用正反推火箭冷分离，通过正反推火箭的推力将一级、二级火箭分离，而采用热分离方式其级间段需要承受二级发动机尾流的高温高压燃气的作用，不利于回收，而正反推火箭冷分离方式，正反推火箭成本高，生产周期长且不可重复使用。

中国专利公开号为：CN113607006A，专利名称为：一种用于运载火箭中级间分离的气动分离系统，其包括至少一个气瓶、气源输出开关和至少一个气缸；气瓶通过充气管路连接气缸，气源输出开关设置在充气管路上，以控制充气管路的通断；在上面级箭体上设置有传力装置，传力装置与气缸中的气动推杆匹配设置；气瓶安装在分离子级箭体的前底上或级间段上；气瓶用于充入具有预设压力的压缩气体，且在气源输出开关打开时，气瓶中存储的压缩气体在经充气管路后通过气缸中的气动推杆和传力装置推动运载火箭的上面级箭体与分离子级箭体之间彼此分离。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：其虽然可以通过气动推杆实现一级、二级火箭分离操作，但是其级间分离面处并没有对应的气动解锁结构，从而在气动推杆推动分离过程中，其级间分离面并未分离的情况，从而会影响分离的平稳性和可靠性，故而适用性和实用性受到限制。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于运载火箭的级间分离系统及其级间分离方法，旨在解决现有技术中存在的分离平稳性和可靠性较差的技术不足。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于运载火箭的级间分离系统，设置在上面级箭体和下面级箭体的级间分离面位置，所述级间分离系统包括级间分离面连接解锁结构和级间分离推杆结构；

所述级间分离面连接解锁结构设置在所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面处，用于所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面连接及锁解；

所述级间分离推杆结构设置在所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面之间，用于所述上面级箭体和所述下面级箭体的推动分离。

进一步优选为：所述级间分离面连接解锁结构包括若干个连接解锁装置、至少一个解锁气瓶、导气管路和第一电磁阀；

所述连接解锁装置固定在所述上面级箭体和所述下面级箭体的级间分离面上；

所述解锁气瓶固定在所述下面级箭体上，且所述导气管路连接在所述解锁气瓶与所述连接解锁装置之间；

所述第一电磁阀固定在所述导气管路上。

进一步优选为：所述级间分离面连接解锁结构还包括第一备用电磁阀；

所述第一备用电磁阀固定在所述导气管路上，且所述第一备用电磁阀与所述第一电磁阀并联。

进一步优选为：所述级间分离推杆结构包括气缸支架、级间分离推杆本体、至少一个推杆气瓶、连接管路和第二电磁阀；

所述气缸支架固定在所述下面级箭体上；

所述级间分离推杆本体固定在所述气缸支架上且所述级间分离推杆本体与所述上面级箭体相抵接；

所述推杆气瓶固定在所述下面级箭体上，且所述连接管路连接在所述推杆气瓶与所述级间分离推杆本体之间；

所述第二电磁阀固定在所述连接管路上。

进一步优选为：所述级间分离推杆结构还包括第二备用电磁阀；

所述第二备用电磁阀固定在所述连接管路上，且所述第二备用电磁阀与所述第二电磁阀并联。

进一步优选为：所述解锁气瓶和所述推杆气瓶上均设置有带手阀的充气口和放气口。

进一步优选为：所述级间分离推杆本体的顶端固定有形状与所述上面级箭体的发动机喷管内型面贴合的抵压件；

所述抵压件抵接在所述上面级箭体的发动机喷管喉部。

进一步优选为：所述级间分离推杆本体固定在所述气缸支架上且顶端抵接在所述上面级箭体的外壁上。

进一步优选为：所述连接解锁装置的数量为至少四个。

第二方面，本发明还提供了一种用于运载火箭的级间分离系统的级间分离方法，所述用于运载火箭的级间分离系统，包括设置在上面级箭体和下面级箭体的级间分离面位置的分离系统，所述级间分离系统包括级间分离面连接解锁结构和级间分离推杆结构；

所述级间分离面连接解锁结构设置在所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面处，用于所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面连接及锁解；

所述级间分离推杆结构设置在所述上面级箭体和所述下面级箭体的分离面之间，用于所述上面级箭体和所述下面级箭体的推动分离；

所述级间分离面连接解锁结构包括若干个连接解锁装置、至少一个解锁气瓶、导气管路和第一电磁阀；所述连接解锁装置固定在所述上面级箭体和所述下面级箭体的级间分离面上；所述解锁气瓶固定在所述下面级箭体上，且所述导气管路连接在所述解锁气瓶与所述连接解锁装置之间；所述第一电磁阀固定在所述导气管路上；

所述级间分离推杆结构包括气缸支架、级间分离推杆本体、至少一个推杆气瓶、连接管路和第二电磁阀；所述气缸支架固定在所述下面级箭体上；所述级间分离推杆本体固定在所述气缸支架上且所述级间分离推杆本体与所述上面级箭体相抵接；所述推杆气瓶固定在所述下面级箭体上，且所述连接管路连接在所述推杆气瓶与所述级间分离推杆本体之间；所述第二电磁阀固定在所述连接管路上；

所述级间分离方法包括以下步骤：

步骤S1、给所述级间分离推杆本体充气；

步骤S2、给所述解锁气瓶和所述推杆气瓶充气；

步骤S3、对所述解锁气瓶、所述推杆气瓶和级间分离推杆本体的气压进行监测；

步骤S4、发射前对所述解锁气瓶和所述推杆气瓶进行补气以保证内部气压；

步骤S5、在所述上面级箭体和所述下面级箭体分离时，打开所述第一电磁阀，使所述解锁气瓶的高压气体进入所述连接解锁装置，完成所述连接解锁装置的解锁；

步骤S6、解锁完成后，所述级间分离推杆本体启动，将所述上面级箭体推出；并在所述级间分离推杆启动后，打开所述第二电磁阀，使所述推杆气瓶内的高压气体进入所述级间分离推杆本体内，对所述级间分离推杆本体补气；

步骤S7，所述级间分离推杆本体完全展开，分离动作完成。

上述技术方案具有如下有益效果：

1.本发明实施例的结构设置合理，其分离系统包括级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构，从而可以在连接解锁的同时实现推杆分离，有利于提高箭体的分离平稳性和分离效率；

2.采用级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构相配合，不但有利于装配操作，有利于提高装配效率，而且在使用后可以重复使用，降低了使用成本；

3.采用级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构相配合，也有利于进行检修与维护操作，并且在地面上可检可测，有利于提高使用平稳性和安全性；

4.本发明实施例中，级间分离面连接解锁结构连接解锁装置、解锁气瓶、导气管路和第一电磁阀；其不但方便结构的装配操作，而且可以根据需要对解锁气瓶的气压进行检测，有利于提高使用平稳性和安全可靠性；

5.级间分离推杆结构包括气缸支架、级间分离推杆本体、推杆气瓶、连接管路和第二电磁阀；其不但方便结构的装配操作，而且可以根据需要对推杆气瓶的气压进行检测，有利于提高使用平稳性和安全可靠性；

6.该级间分离系统还设置有第一备用电磁阀和第二备用电磁阀，可以在第一电磁阀或第二电磁阀故障时仍然可以保证整个结构的运行有效性，实用性强；

7.该级间分离系统还设置有带手阀的充气口和放气口，可以根据需要对解锁气瓶、推杆气瓶进行充气或放气，以保证内部的气压情况，保证整体结构运行的平稳性和可靠性；

8.整体结构生产周期短，而且在分离过程中的冲击较小，有利于实现重复利用；

9、本发明实施例中方法操作便捷，也有利于进行检修与维护操作，并且在地面上可检可测，有利于提高使用平稳性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的第一种具体结构示意图；

图2为图1中A处放大结构示意图；

图3为本发明实施例的第二种具体结构示意图。

附图标记：

1、上面级箭体；

2、下面级箭体；

3、分离系统；31、级间分离面连接解锁结构；311、连接解锁装置；312、解锁气瓶；313、导气管路；314、第一电磁阀；315、第一备用电磁阀；32、级间分离推杆结构；321、气缸支架；322、级间分离推杆本体；323、推杆气瓶；324、连接管路；325、第二电磁阀；326、第二备用电磁阀；

4、手阀；

5、充气口；

6、放气口；

7、发动机。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

实施例1

如图1至图2所示，一种用于运载火箭的级间分离系统3，设置在上面级箭体1和下面级箭体2的级间分离面位置，该分离系统3包括级间分离面连接解锁结构31和级间分离推杆结构32；本实施例中，级间分离面连接解锁结构31设置在上面级箭体1和下面级箭体2的分离面处，用于上面级箭体1和下面级箭体2的分离面连接及锁解；级间分离推杆结构32设置在上面级箭体1和下面级箭体2的分离面之间，用于上面级箭体1和下面级箭体2的推动分离。

本实施例中，级间分离推杆结构32和级间分离面连接解锁结构31均与火箭控制器相连接，为现有技术的常规设置，故未详细记载；并且二者的分离时序可调节，分离能量也可调节，从而可以满足不同情况的使用需求。

如图1所示，具体在实际应用过程中，级间分离面连接解锁结构31包括若干个连接解锁装置311、至少一个解锁气瓶312、导气管路313和第一电磁阀314；本实施例中，连接解锁装置311的数量为至少四个。解锁气瓶312的数量可以为一个或者多个，主要是用于给连接解锁装置311提供高压气体，而连接解锁装置311为现有技术的结构，其主要是用于连接并且在高压气体的作用下可以分离解锁操作。连接解锁装置311用于将上面级箭体1与下面级箭体2连接起来，以及在分离时刻，火箭控制器给连接解锁装置311分离信号，从而解锁，解锁的意思是解除上面级箭体1与下面级箭体2之间的约束。第一电磁阀314用于在飞行过程中控制解锁气瓶312中的高压气体流入连接解锁装置311。

连接解锁装置311为气动装置，由解锁气瓶312供气。解锁气瓶312开关由第一电磁阀314进行控制。在分离时刻，给第一电磁阀314打开的信号，解锁气瓶312气体进入连接解锁装置311，通过高压气体将连接解锁装置311解锁。

如图1所示，在连接时，连接解锁装置311固定在上面级箭体1和下面级箭体2的级间分离面上；解锁气瓶312固定在下面级箭体2上，且导气管路313连接在解锁气瓶312与连接解锁装置311之间；第一电磁阀314固定在导气管路313上。其中第一电磁阀314与火箭控制器相连接。

如图1所示，在实际应用过程中，级间分离面连接解锁结构31还包括第一备用电磁阀315；本实施例中，第一备用电磁阀315固定在导气管路313上，且第一备用电磁阀315与第一电磁阀314并联。第一备用电磁阀315主要是在第一电磁阀314故障时进行备用，以保证供气的平稳性和有效性。

如图1所示，本实施例中，级间分离推杆结构32包括气缸支架321、级间分离推杆本体322、至少一个推杆气瓶323、连接管路324和第二电磁阀325；其中气缸支架321主要是用于固定级间分离推杆本体322，其为金属结构体，第二电磁阀325主要是用于控制连接管路324的通断，且第二电磁阀325与火箭控制器相连接。级间分离推杆本体322是作为级间分离系统3的分离能源，在上面级箭体1与下面级箭体2解锁之后，级间分离推杆本体322展开，将上面级箭体1的发动机推出级间段，完成分离动作。

如图1所示，在安装使用时，气缸支架321固定在下面级箭体2上；级间分离推杆本体322固定在气缸支架321上且级间分离推杆本体322与上面级箭体1相抵接；推杆气瓶323固定在下面级箭体2上，且连接管路324连接在推杆气瓶323与级间分离推杆本体322之间；第二电磁阀325固定在连接管路324上。本实施例中，级间分离推杆本体322的顶端固定有形状与上面级箭体1的发动机7喷管内型面贴合的抵压件；抵压件抵接在上面级箭体1的发动机喷管喉部。其作用是将级间分离推杆本体322的力传递至抵压件顶住的位置，以保证在分离时刻级间分离推杆本体322可以将喷管推出。

如图1所示，级间分离推杆结构32还包括第二备用电磁阀326；第二备用电磁阀326固定在连接管路324上，且第二备用电磁阀326与第二电磁阀325并联。第二备用电磁阀326主要是在第二电磁阀325出现故障时使用，以保证供气的平稳性和有效性，保证整个结构正常使用。

如图1所示，级间分离推杆本体322在发射前，在气缸内充满气体，并配备至少一个推杆气瓶323。级间分离推杆本体322在发射前在推杆气瓶323内充满气，是为了在连接解锁装置311解锁的一瞬间，就可以提供一个初始的推力。在级间分离推杆本体322开始工作后，将级间分离推杆本体322配备的推杆气瓶323，通过第二电磁阀325打开。这样的原因是因为级间分离推杆本体322的气缸内的容积较小，级间分离推杆本体322的行程较长，在级间分离推杆本体322展开过程中，压降较快，所以需要推杆气瓶323在级间分离推杆本体322展开过程中，对级间分离推杆本体322进行补气，保证气压满足分离要求。

如图1和图2所示，在实际应用过程中，解锁气瓶312和推杆气瓶323上均设置有带手阀4的充气口5和放气口6。充气口5用于给解锁气瓶312和推杆气瓶323和级间分离推杆本体322中气缸充气；放气口6用于在故障状态下，给解锁气瓶312、推杆气瓶323和级间分离推杆本体322中气缸放气；手阀4用于控制充放气操作；

本实施例方案具有如下有益效果：

1.本发明实施例的结构设置合理，其分离系统包括级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构，从而可以在连接解锁的同时实现推杆分离，有利于提高箭体的分离平稳性和分离效率；

2.采用级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构相配合，不但有利于装配操作，有利于提高装配效率，而且在使用后可以重复使用，降低了使用成本；

3.采用级间分离推杆结构和级间分离面连接解锁结构相配合，也有利于进行检修与维护操作，并且在地面上可检可测，有利于提高使用平稳性和安全性；

4.本发明实施例中，级间分离面连接解锁结构连接解锁装置、解锁气瓶、导气管路和第一电磁阀；其不但方便结构的装配操作，而且可以根据需要对解锁气瓶的气压进行检测，有利于提高使用平稳性和安全可靠性；

5.级间分离推杆结构包括气缸支架、级间分离推杆本体、推杆气瓶、连接管路和第二电磁阀；其不但方便结构的装配操作，而且可以根据需要对推杆气瓶的气压进行检测，有利于提高使用平稳性和安全可靠性；

6.级间分离系统3还设置有第一备用电磁阀和第二备用电磁阀，可以在第一电磁阀或第二电磁阀故障时仍然可以保证整个结构的运行有效性，实用性强；

7.级间分离系统3还设置有带手阀的充气口和放气口，可以根据需要对解锁气瓶、推杆气瓶进行充气或放气，以保证内部的气压情况，保证整体结构运行的平稳性和可靠性；

8.整体结构生产周期短，而且在分离过程中的冲击较小，有利于实现重复利用。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：级间分离推杆本体322固定在气缸支架321上且顶端抵接在上面级箭体1的外壁上。本实施例中，其级间分离推杆本体322的作用是将级间段与上面级箭体1推开使其分离。

实施例3

本实施例提供了一种用于运载火箭的级间分离系统3的级间分离方法，用于运载火箭的级间分离系统3，设置在上面级箭体1和下面级箭体2的级间分离面位置，级间分离系统3包括级间分离面连接解锁结构31和级间分离推杆结构32；

级间分离面连接解锁结构31设置在上面级箭体1和下面级箭体2的分离面处，用于上面级箭体1和下面级箭体2的分离面连接及锁解；

级间分离推杆结构32设置在上面级箭体1和下面级箭体2的分离面之间，用于上面级箭体1和下面级箭体2的推动分离；

级间分离面连接解锁结构31包括若干个连接解锁装置311、至少一个解锁气瓶312、导气管路313和第一电磁阀314；连接解锁装置311固定在上面级箭体1和下面级箭体2的级间分离面上；解锁气瓶312固定在下面级箭体2上，且导气管路313连接在解锁气瓶312与连接解锁装置311之间；第一电磁阀314固定在导气管路313上；

级间分离推杆结构32包括气缸支架321、级间分离推杆本体322、至少一个推杆气瓶323、连接管路324和第二电磁阀325；气缸支架321固定在下面级箭体2上；级间分离推杆本体322固定在气缸支架321上且级间分离推杆本体322与上面级箭体1相抵接；推杆气瓶323固定在下面级箭体2上，且连接管路324连接在推杆气瓶323与级间分离推杆本体322之间；第二电磁阀325固定在连接管路324上；

该级间分离方法包括以下步骤：

步骤S1、给级间分离推杆本体322充气；

步骤S2、给解锁气瓶312和推杆气瓶323充气；

步骤S3、对解锁气瓶312、推杆气瓶323和级间分离推杆本体322的气压进行监测；本实施例中，监测是否充气到指定压力，同时在发射前用于监测解锁气瓶312和推杆气瓶323、和级间分离推杆本体322是否漏气，是否需要补气；发射后监测的气压数据，用于监测级间分离推杆本体322以及解锁气瓶312和推杆气瓶323是否正常；用于飞行后对数据分析，判断飞行状态与设计状态是否一致，方便后续改进。

步骤S4、发射前对解锁气瓶312和推杆气瓶323进行补气以保证内部气压；

步骤S5、在上面级箭体1和下面级箭体2分离时，打开第一电磁阀314，使解锁气瓶312的高压气体进入连接解锁装置311，完成连接解锁装置311的解锁；

步骤S6、解锁完成后，级间分离推杆本体322启动，将上面级箭体1推出；并在级间分离推杆启动后，打开第二电磁阀325，使推杆气瓶323内的高压气体进入级间分离推杆本体322内，对级间分离推杆本体322补气；

步骤S7，级间分离推杆本体322完全展开，分离动作完成。

本发明实施例的方法操作便捷，也有利于进行检修与维护操作，并且在地面上可检可测，有利于提高使用平稳性和安全性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。