运载火箭末级留轨装置的制作方法

1.本公开涉及一种运载火箭末级留轨装置，属于运载火箭总体设计技术领域。


背景技术：

2.现有运载火箭的载荷，如卫星等，都是置于运载火箭末级上端整流罩内，经运载火箭逐级分离送至预设轨道。一方面，运载火箭的末级在与载荷分离后，在空间轨道长期闲置。另一方面，大量的航天相关的设备如电子元器件、组件等的验证需求难以被满足。这是因为，与地面应用的设备设施不同，用于航天的各类设备设施要经受复杂的高低温、空间辐射等恶劣环境的考验，传统的航天元器件的试验往往采用地面高强度等效试验或发射试验卫星等方式来验证，一方面经费投入高昂、另一方面试验周期较长、试验资源较为紧缺，难以满足航天元器件日益增长的试验需求。主要原因是成本高昂。如何降低航天有关设备设施的验证成本，充分利用以往被废弃的运载火箭末级，满足人们日益增长的航天实验验证需求是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本公开的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了部分或全部解决上述技术问题，提出一种运载火箭末级留轨装置。
4.本公开的目的是通过以下技术方案实现的。
5.一种运载火箭末级留轨装置，包括留轨控制单元和有效载荷单元，二者通过电缆连接，分别安装于运载火箭末级支承舱外斜壁不同位置，留轨控制单元为末级留轨装置提供能源供应、姿态控制，与有效载荷单元通信及与地面的测控和数传通信；有效载荷单元用于搭载载荷，及将载荷数据传给留轨控制单元。
6.有益效果
7.本公开通过对运载火箭末级进行改进，通过在末级端部支承舱外斜壁上安装末级留轨装置，使得运载火箭末级可以被充分利用，一方面满足愈来愈多的航天应用相关的载荷验证需求，一方面大幅降低为此类载荷专门发射试验卫星的高昂成本，将其搭载到现有运载火箭任务中入轨。末级留轨装置的加装，位于主星和支承舱之间的无设备空间，与现有运载火箭设备不冲突，不影响现有火箭设备布局和连接关系。将末级留轨装置分为留轨控制单元和有效载荷单元两个单元，二者之间通过电缆连接，使控制系统与载荷搭载单元物理上分离，便于功能独立、降低彼此间干涉、提高载荷搭载的广泛适用性。
附图说明
8.图1为现有火箭末级与载荷关系示意图；
9.图2为本公开提供的运载火箭末级留轨装置结构示意图；
10.图3为本公开提供的运载火箭末级留轨装置与现有运载火箭末级安装关系示意图；
11.图4为本公开提供的留轨控制单元外观结构示意图；
12.图5为本公开提供的留轨控制单元内部结构示意图；
13.图6为本公开提供的有效载荷单元外观结构示意图；
14.附图标记：1-末级，101-末级支承舱，2-载荷，3-留轨控制单元，301-太阳电池阵、302-星敏感器、303-太阳敏感器、304-gnss天线、305-磁力矩器、306-飞轮，307-综合电子单元、308-测控模块，309-数传模块，310-蓄电池，4-有效载荷单元，5-电缆。
具体实施方式
15.以下将结合附图所示的具体实施方式对本公开进行详细描述。但这些实施方式并不限于本公开，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本公开的保护范围内。
16.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“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公开和简化描述，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，因此不能理解为对公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
17.在本公开的描述中，需要说明的是，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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或信号连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
18.为对本公开实施例的目的、技术方案和优点进行说明，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
19.图1为现有运载火箭末级及载荷位置关系示意图，末级1将载荷2送入预定轨道后即完成使命与其分离，在空间轨道长期闲置。末级1为运载火箭芯级中与载荷2相连的一级，例如，对于2级半构型运载火箭，芯二级为末级；对于3级构型运载火箭，芯三级为末级。载荷2可以是任何需要送入太空的物体，是运载火箭的运送标的，下面我们以有效载荷为卫星为例进行说明，为了描述方便，我们将作为标的的卫星称为主星。根据国际空间法，低轨末级可以留轨25年，这从法律上保证该空间物体可以加以利用。通过对运载火箭末级进行分析，末级支承舱101上部为斜壁，与主星间存在空余空间，具备拓展应用的基础。由于载荷入轨成本高昂，能够被运载火箭送入太空的载荷都是千挑万选。而现如今随着航天需求的井喷式发展，各种元器件等新技术的验证和空间环境试验需求也更加迫切，如何以较低的成本实现空间环境实验和验证，满足人们日益增长的航天需求是一个亟待解决的问题。为了解决该问题，本公开提出一种运载火箭末级留轨装置，将载荷(如各类新型元器件、组件等)随同主星搭载入轨进行航天验证，以降低各种新技术的航天试验成本。
20.图2为本公开提供的一种运载火箭末级留轨装置，如图所示，该装置包括留轨控制
单元3和有效载荷单元4，二者通过电缆5连接，分别安装于运载火箭末级支承舱101外壁。如图3所示，留轨控制单元3和有效载荷单元4位于末级支承舱101的不同位置。
21.留轨控制单元为末级留轨装置提供能源供应、姿态控制，与有效载荷单元通信及与地面的测控和数传通信；有效载荷单元用于搭载载荷，及将载荷数据传给留轨控制单元。本公开将留轨控制单元和有效载荷单元分开为两个独立单元，通过电缆进行连接，实现二者间的信号传递与能源供给，使有效载荷单元便于适应不同种类航天相关载荷的搭载验证，降低载荷与控制系统间的干涉。同时，上述2个独立单元的设置也使得整个装置不必每次为搭载载荷设计系统结构，以降低各功能元件间的干涉，从而提高装置的标准化程度，使系统结构简洁、清晰，对于不同载荷的搭载，只要将其置入有效载荷单元并与电缆接口相接即可，留轨控制单元作为整体直接装于末级支承舱101预设位置即可，提高每次载荷搭载的装载效率，缩短整个系统的调试时间。并且，由图1可以看出，末级留轨装置位于主星和支承舱之间的无设备空间，与现有运载火箭设备不冲突，不影响现有火箭设备布局和连接关系；仅通过对火箭末级改进，在末级端部支承舱外斜壁上安装末级留轨装置，如此，就可通过搭载的方式，随同主星一起进入空间轨道，并在末级与主星分离后，使末级自身可以被充分利用，满足载荷在空间轨道的实验需求，同时，也能大幅降低为这些载荷专门提供运载火箭进行运送的高昂成本。
22.作为一种具体实现方式，如图4所示，留轨控制单元为壳体结构，外表安装太阳电池阵301、星敏感器302和太阳敏感器303、gnss天线304，如图5所示，内部安装3个磁力矩器305、飞轮306、综合电子单元307、测控模块308和数传模块309，太阳电池阵301、星敏感器302、太阳敏感器303、gnss天线304、磁力矩器305、飞轮306、测控模块308和数传模块309均与综合电子单元307连接。
23.留轨控制单元通过壳体保护内部结构，提供各组件的安装支撑，避免太空垃圾、飞行器和陨石等类物体对各组件造成损坏；太阳电池阵为留轨装置提供电能；星敏感器和太阳敏感器为留轨装置提供姿态敏感器；gnss天线为留轨装置提供空间定位信息；壳体内沿三个轴线安装3个磁力矩器，为留轨装置提供姿态控制力矩和释放飞轮动量；飞轮为留轨装置提供姿态控制力矩；综合电子单元是留轨装置的信息中枢，完成整个装置间的信息交互，可以采用现有运载火箭载荷(如主星)的综合电子单元；测控模块与综合电子单元连接，实现天地测控通信连接；数传模块与综合电子单元连接，实现天地数据传输。即，星敏感器、太阳敏感器、gnss天线、飞轮和磁力矩器联合进行对地三轴姿态控制；综合电子单元、测控模块、数传模块联合进行对地测控和数传(digital data transmission，ddt)通信。因此，留轨控制单元可以说是运载火箭末级的综合管理单元，实现运载火箭末级姿态控制、能源供应、长期留轨、与地面保持测控和数传、并通过统一总线与有效载荷单元进行数据通信，将有效载荷单元的载荷(如航天元器件验证载荷)测量数据下传到地面。留轨控制单元内各组件的部署只要满足3个磁力矩器彼此垂直即可，其它组件彼此不干涉且连线简单即可。
24.作为一种具体实现方式，留轨控制单元还包括与综合电子单元连接的蓄电池310。
25.在留轨控制单元内加装蓄电池，在综合电子单元的控制下，通过蓄电池的充放电，可以与太阳电池阵联合为留轨装置提供稳定的电源。
26.具体的，蓄电池采用锂离子电池组。
27.锂离子电池能量密度和体积密度高，同样大小的重量和体积空间可提供更大的能
量，同时锂离子电池充放电次数多，适宜长期留轨的应用环境。
28.作为一种具体实现方式，测控模块308采用s频段、数传模块309采用x频段与地面通信。
29.在上述实施例的基础上，有效载荷单元4设为壳体结构，内部安装载荷，载荷与综合电子单元307连接。
30.有效载荷单元4通过壳体保护内部搭载的载荷，以及提供其安装支撑；载荷通过与综合电子单元307的连接关系，将各种有关搭载载荷的测量数据发给综合电子单元307，并由其通过数传模块下传到地面。有效载荷单元可以说是运载火箭末级的综合试验单元，通过标准化或定制化的加装各类元器件，实现元器件在轨试验验证。
31.作为一种具体实现方式，如图6所示，有效载荷单元还包括安装于其外表的太阳电池阵301，该太阳电池阵与综合电子单元307连接。
32.在有效载荷单元外表加装太阳电池阵，在留轨控制单元3综合电子单元307的统一管理下，可进一步增强整个装置的能源供给。
33.综上所述，本公开提供的运载火箭末级留轨装置，对现有运载火箭末级进行改进，利用运载火箭末级进行留轨应用，在末级支承舱斜壁加装留轨控制单元和有效载荷单元，实现对各类载荷(如元器件、组件等)的搭载验证，可大幅降低这些载荷的试验成本、大幅加快其试验的迭代速度。该装置为航天领域相关的载荷在轨验证提供了一种便捷手段。并且，其作为航天体系中新技术验证领域的重要组成部分，填补了低轨(1000公里以下)范围100kg以下新型元器件、新组件、新材料、新技术、新的有效载荷等高频次进入空间能力进行在轨验证的空白，有效助力航天产品提高技术成熟度，为航天新型产品大规模空间应用提供有力支撑。
34.为了说明本公开的内容及实施方式，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本公开所述内容。本领域的技术人员应理解：虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。并且在不脱离本公开及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本公开不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种运载火箭末级留轨装置，其特征在于：包括留轨控制单元和有效载荷单元，二者通过电缆连接，分别安装于运载火箭末级支承舱外壁不同位置，留轨控制单元为末级留轨装置提供能源供应、姿态控制，与有效载荷单元通信及与地面的测控和数传通信；有效载荷单元用于搭载载荷，及将载荷数据传给留轨控制单元。2.根据权利要求1所述的运载火箭末级留轨装置，其特征在于：所述留轨控制单元为壳体结构，外表安装太阳电池阵、星敏感器和太阳敏感器、gnss天线，内部安装3个磁力矩器、飞轮、综合电子单元、测控模块和数传模块，太阳电池阵、星敏感器、太阳敏感器、gnss天线、磁力矩器、飞轮、测控模块和数传模块均与综合电子单元连接。3.根据权利要求2所述的运载火箭末级留轨装置，其特征在于：所述留轨控制单元还包括与综合电子单元连接的蓄电池。4.根据权利要求3所述的运载火箭末级留轨装置，其特征在于：所述蓄电池为锂离子电池组。5.根据权利要求2-4任一所述的运载火箭末级留轨装置，其特征在于：所述有效载荷单元为壳体结构，内部安装载荷，载荷与所述综合电子单元连接。6.根据权利要求5所述的运载火箭末级留轨装置，其特征在于：所述有效载荷单元还包括安装于其外表的太阳电池阵，该太阳电池阵与所述综合电子单元连接。

技术总结
本公开涉及一种运载火箭末级留轨装置，属于运载火箭总体设计技术领域；包括留轨控制单元和有效载荷单元，二者通过电缆连接，分别安装于运载火箭末级支承舱外斜壁。本公开通过对运载火箭末级进行改进，在其端部支承舱外斜壁上安装末级留轨装置，使末级可以被充分利用，将验证载荷搭载到现有运载火箭任务中入轨，一方面满足大量航天相关载荷的验证需求，一方面大幅降低其航天试验的验证成本。将该系统分为留轨控制单元和有效载荷单元两个单元，二者之间通过电缆连接，使二者在物理上分离，便于功能独立、降低彼此间干涉、提高末级留轨装置载荷搭载的广泛适用性。并且该系统位于主星和支承舱之间的无设备空间，与现有运载火箭设备不冲突。冲突。冲突。


技术研发人员：朱雄峰 韩秋龙 刘阳 刘鹰 谭云涛 王铁兵 谭胜 谷建光 雍子豪 王一杉 崔朋 郑琦 吴佳林 魏然
受保护的技术使用者：中国人民解放军63921部队
技术研发日：2022.10.11
技术公布日：2023/5/16