[发明专利]一种可回收和复用的固体运载火箭子级

说明书

本发明公开了一种可回收和复用的固体运载火箭子级，包括子级本体、充气式热防护结构和固体火箭发动机；充气式热防护结构包括在展开状态下罩在前舱段的迎风面上呈回转体外形的前端气囊，前端气囊包括自内而外依次设置的柔性隔热层和防热涂层；固体火箭发动机包括具有供药柱放置的腔室的燃烧室壳体，燃烧室壳体的内壁上设有燃烧室热防护结构。通过采用热防护+减速+缓冲相结合的充气式热防护结构，前端气囊能保持良好的气动外形，子级在再入过程中不会因气动加热和较大的着陆冲击力而损坏，可以实现子级的回收，火箭发动机再通过重新装药、一次性使用零部件的更换等，可以实现子级及其发动机的可重复使用，从而降低固体运载火箭的发射成本。

技术领域

本发明涉及航天器返回技术领域，具体涉及一种可回收和复用的固体运载火箭子级。

背景技术

运载火箭在发展初期，为了达到顺利发射的目的，各航天国家都不计成本。随着航天技术的发展，各航天国家逐渐开始考虑发射成本问题，低成本发射已成为航天运输系统的发展趋势。运载火箭重复使用可实现“多次使用，费用均摊”，是降低航天发射成本主要途径之一，开展子级回收技术是实现运载火箭重复使用的基础。

美国SpaceX公司“猎鹰”9号液体运载火箭的子级垂直着陆和回收已经成常态。但是固体火箭子级由于发动机推进剂成本占比较高，且发动机的喷管有烧蚀问题，难以修复或修复代价太高，固体火箭子级及其发动机复用还没有成功先例。而且固体运载火箭的子级分离后的发动机不能再工作，无法提供软着陆缓冲推力，因此不能套用液体运载火箭的可控推进减速技术。

一般而言，子级分离后，由于惯性在回收着陆前还会继续冲高至大气层外以一定的竖直方向速度和水平方向速度飞行一段时间，然后返回。由于子级分离后的外形独特，不具有良好的气动外形，尽管其分离点速度和高度不高，但与传统轨道航天器返回相比，子级返回过程、阶段和遇到的气动力、热、电磁环境是相似的，可能局部热导率和加热量更大。

在子级着陆回收前，若无热防护装置，子级再入过程中会因气动加热而损坏；若无减速和缓冲装置，子级也会因受到较大的着陆冲击力而损坏。为使运载火箭子级处于相对较良好的着陆冲击环境中，采用合适的热防护+减速+缓冲装置是非常有必要的。

目前，通常采用的运载火箭子级的回收方式为：伞降（含翼伞）回收或带着陆支架的垂直回收方案。伞降方案的最大缺点是减速起始速度低（压声速），落点散布大，因而无法实现真正的可控回收。与再入可充气式气动减速方案相比，伞降方案是将减速、热防护和着陆缓冲等技术分散到飞行器和降落伞上，而不是一体化设计，因此结构复杂。如前文所述，带着陆支架方案即可控推进减速方案并不适用于固体火箭回收。另外，目前火箭子级内的发动机容易被药柱燃烧过程产生的大量热量所烧毁，即使火箭子级成功回收后依然没法实现发动机的复用。

因此，要实现固体运载火箭子级及其发动机的回收和复用，一方面需要采用合适的热防护+减速+缓冲装置使火箭子级能够安全着陆，另一方面需要解决火箭子级内发动机的烧蚀问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的固体运载火箭的子级及其发动机无法实现回收和复用的问题，从而提供一种可回收和复用的固体运载火箭子级。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种可回收和复用的固体运载火箭子级，包括：

子级本体；

充气式热防护结构,设置在所述子级本体的前舱段,包括气囊支架和由所述气囊支架提供辅助支撑的前端气囊，所述气囊支架具有充气前折叠于所述前舱段内的折叠状态和充气后展开罩在所述前舱段外周的气动展开状态；所述前端气囊可在折叠状态和展开状态之间变换；当所述气囊支架处于气动展开状态时，所述前端气囊处于所述展开状态下并至少罩在所述前舱段的迎风面上形成气动减速的回转体外形，所述前端气囊包括自内而外依次设置的柔性隔热层和防热涂层；