用于运载火箭的回收式载荷测量系统的制作方法

1.本发明涉及航天器测控技术领域，具体地，涉及一种用于运载火箭的回收式载荷测量系统。


背景技术：

2.随着航空航天技术的蓬勃发展，人类进入太空、利用太空的能力得到逐年提升。运载火箭技术，是人类进入太空的主流手段。
3.目前，由于运载火箭飞行过程中的箭体结构承载情况尚无有效手段进行在线测量，因此运载火箭载荷设计仍采用传统计算方法。然而，运载火箭载荷条件会直接影响火箭结构设计，并直接关系到箭体结构的重量。因此关于运载火箭的载荷测量方法亟待解决。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于运载火箭的回收式载荷测量系统。
5.第一方面，本技术实施提供一种用于运载火箭的回收式载荷测量系统，包括：采集单元、采集存储单元、采集存储单元天线、电池、光纤解调仪、无线信标装置、光纤应变测量装置、压力传感器、过载传感器；其中：
6.所述采集单元设置在火箭二级箱间段，用于采集火箭压力、过载，以及应变参数；
7.所述采集存储单元设置在火箭一级箱间段，用于存储火箭飞行试验中的测量数据；
8.所述光纤解调仪和所述光纤应变测量装置设置在火箭一级箱间段，用于测量运载火箭飞行过程中的应变和载荷；
9.所述无线信标装置设置在火箭一级箱间段，用于在火箭一子级落地后，发送射频脉冲信号，以使得地面搜寻人员搜寻到所述火箭一子级；
10.所述压力传感器设置在整流罩球头、前后锥、直筒段，用于测量运载火箭飞行过程中的动压；
11.所述过载传感器设置在火箭各舱段，用于测量运载火箭飞在行过程中各舱段的加速度响应，并获取火箭飞行过程中的频率和振型。
12.可选地，所述光纤解调仪和所述光纤应变测量装置通过舱段应变测量，获取火箭飞行试验中一子级箱间段的载荷。
13.可选地，还包括：北斗短报文系统，用于获取火箭一子级返回段的实时飞行位置；
14.通过所述无线信标装置，获取火箭一子级落点位置，其中，所述北斗短报文系统和所述无线信标装置互为冗余备份。
15.可选地，在火箭主动段保持射频静默状态，不向外发送电磁辐射信号；
16.在火箭一二级分离后，且待一、二级留有足够安全距离时，启动所述北斗短报文系统。
17.可选地，所述无线信标装置包括：信标装置发射机和信标装置天线，当火箭一子级落地30min后，所述无线信标装置定时启动，并持续发送无线电信号。
18.可选地，在火箭一级箱间段设置4个采集存储单元天线，且4个天线周向间隔90
°
布置。
19.可选地，采用自主配电方式，在火箭一级箱间段单独配置电池。
20.可选地，在火箭一子级落地后，通过地面测量设备读取所述采集存储单元中存储的测量数据，以对火箭飞行过程中的数据进行分析。
21.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
22.本技术实施例提供的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，独立于火箭现有测量系统，用于对运载火箭飞行过程中的多路载荷参数进行采集并存储；在一子级返回过程中，地面设备通过接收本系统发出的短报文数据，获取一子级实时飞行位置；一子级落地后，无线信标装置启动，通过地面设备识别无线信标装置发出的无线电信号，从而搜寻到火箭一子级，并获取安装在一子级上的采集存储单元；研究人员采用地面测试设备对采集存储单元内的数据进行读取、分析。通过测量火箭飞行中的气动力、动力学响应和舱段的应变，依靠火箭载荷计算模型，可以直接获取火箭箭体结构不同攻角下的承载情况，用于运载火箭载荷条件裕度分析，整个系统独立性强、可靠性高、适应范围广。
附图说明
23.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本技术实施例提供的用于运载火箭的回收式载荷测量系统的原理示意图
25.图2为本技术实施例提供的用于运载火箭的回收式载荷测量系统的结构示意图；
26.图3为本技术实施例提供的无线信标装置的组成示意图；
27.图4为本技术实施例提供的压力传感器安装位置示意图；
28.图5为本技术实施例提供的过载传感器安装位置示意图；
29.图6为本技术实施例提供的光纤应变传感器安装位置示意图。
30.图中：
31.1-采集单元、2-采集存储单元、3-采集存储单元天线、4-电池、5-光纤解调仪、6-无线信标装置、7-光纤应变测量装置、8-压力传感器、9-过载传感器。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另
一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
34.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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发明实施例和简化描述，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。
35.此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.图1为本技术实施例提供的用于运载火箭的回收式载荷测量系统的原理示意图，如图1所示，本实施例中的系统可以包括：采集单元、采集存储单元、采集存储单元天线、电池、光纤解调仪、无线信标装置、光纤应变测量装置、压力传感器、过载传感器，该系统配置一块电池，独立供电。无线信标装置由发射机和天线组成。压力传感器安装在火箭卫星整流罩的球头、锥段以及直筒段。过载传感器和光纤应变测量装置安装在火箭各舱段上。通过采集单元，获取压力传感器和过载传感器测量得到的数据，并传输至采集存储单元中保存。火箭飞行中的应变，采用光纤应变测量装置进行数据采集，并经光纤解调仪处理后，将数据传输至采集存储单元中保存。为获取火箭一子级位置信息，系统配置北斗短报文功能，并通过采集存储单元天线将火箭实时位置信息进行下发。火箭一子级落地后，无线信标装置启动，地面搜寻人员通过专用地面设备，根据监测的脉冲信号及其强弱，定位采集存储单元的位置。
37.图2为本技术实施例提供的用于运载火箭的回收式载荷测量系统的结构示意图，如图2所示，本系统可以包括：采集单元1、采集存储单元2、采集存储单元天线3、电池4、光纤解调仪5、无线信标装置6、光纤应变测量装置7、压力传感器8、过载传感器9。其中，压力传感器8安装在火箭卫星整流罩的球头、锥段以及直筒段。过载传感器9安装在火箭卫星整流罩、星箭对接面、一级箱间段、二级箱间段、一二级级间段和一级尾段上。光纤应变测量装置7安装在火箭一级箱间段上。通过压力传感器8、过载传感器9采集火箭飞行过程中的动压和动力学响应，通过采集单元1进行数据采集，并将数据传输至采集存储单元2中。通过光纤应变测量装置7进行一级箱间段应变测量，并将数据直接传输至采集存储单元2中。
38.示例性的，当火箭一二级分离后，系统配置的北斗短报文功能启动，通过采集存储单元天线将火箭实施位置信息进行下传。待一子级落地后，无线信标装置定时启动，地面搜寻人员根据专用地面设备进行火箭一子级搜索。地面人员获取安装在一子级上的采集存储单元后，利用地面测试设备，对采集存储单元内的飞行数据进行读取、分析。
39.示例性的，上述载荷测量系统中，在火箭一级箱间段设置4个采集存储单元天线，4个天线周向间隔90
°
布置，以提高火箭返回段无规则运动期间的无线信号传输能力。
40.示例性的，上述载荷测量系统中，采用自主配电，在火箭一级箱间段单独配置电池，无需火箭提供供电保障。
41.示例性的，在具体测量时，上述测量系统在火箭主动段保持射频静默状态，不向外
发送电磁辐射信号，对火箭主任务的电磁兼容性无影响；火箭一二级分离后，待一、二级留有足够安全距离后，系统启动北斗短报文功能。
42.图3为本技术实施例提供的无线信标装置的组成示意图，如图3所示，无线信标装置包括：信标装置发射机和信标装置天线，利用北斗短报文系统，获取火箭一子级返回段实时飞行位置；利用无线信标装置，获取一子级落点位置。北斗短报文系统和无线信标装置互为冗余备份，提高火箭一子级搜寻能力。
43.示例性的，可以在火箭一子级落地30min后，无线信标装置定时启动，持续发送无线电信号，从而使得地面搜寻人员可以利用专用地面设备可搜寻到火箭一子级。
44.本实施例中的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，可独立于火箭现有测量系统，用于对运载火箭飞行过程中的多路载荷参数进行采集并存储；在一子级返回过程中，地面设备通过接收本系统发出的短报文数据，获取一子级实时飞行位置；一子级落地后，无线信标装置启动，通过地面设备识别无线信标装置发出的无线电信号，从而搜寻到火箭一子级，并获取安装在一子级上的采集存储单元；研究人员采用地面测试设备对采集存储单元内的数据进行读取、分析。具有系统独立、可靠性高、适应范围广等特点。
45.图4为本技术实施例提供的压力传感器安装位置示意图，如图4所示，压力传感器安装在卫星整流罩球头、前锥和直筒段；通过安装在火箭上的压力传感器，测量运载火箭飞行过程中的动压，并获取火箭飞行试验中的飞行攻角。
46.图5为本技术实施例提供的过载传感器安装位置示意图，如图5所示，通过安装在火箭的过载传感器，获取火箭飞行试验中的频率、振型。具体地，在火箭各舱段设置过载传感器，测量运载火箭飞行过程中各舱段的加速度响应，从而获取火箭飞行过程中的频率和振型。
47.图6为本技术实施例提供的光纤应变传感器安装位置示意图，如图6所示，在火箭一级箱间段设置光纤应变测量装置和光纤解调仪，用于测量运载火箭飞行过程中一级箱间段的应变，从而获取火箭一级箱间段飞行过程中的载荷。
48.本实施例可以通过测量火箭飞行中的气动力、动力学响应和舱段的应变，并利用火箭载荷计算模型，可以直接获取火箭箭体结构不同攻角下的承载情况，用于运载火箭载荷条件裕度分析。
49.以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
51.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述
特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，包括：采集单元、采集存储单元、采集存储单元天线、电池、光纤解调仪、无线信标装置、光纤应变测量装置、压力传感器、过载传感器；其中：所述采集单元设置在火箭二级箱间段，用于采集火箭压力、过载，以及应变参数；所述采集存储单元设置在火箭一级箱间段，用于存储火箭飞行试验中的测量数据；所述光纤解调仪和所述光纤应变测量装置设置在火箭一级箱间段，用于测量运载火箭飞行过程中的应变和载荷；所述无线信标装置设置在火箭一级箱间段，用于在火箭一子级落地后，发送射频脉冲信号，以使得地面搜寻人员搜寻到所述火箭一子级；所述压力传感器设置在整流罩球头、前后锥、直筒段，用于测量运载火箭飞行过程中的动压；所述过载传感器设置在火箭各舱段，用于测量运载火箭飞在行过程中各舱段的加速度响应，并获取火箭飞行过程中的频率和振型。2.根据权利要求1所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，所述光纤解调仪和所述光纤应变测量装置通过舱段应变测量，获取火箭飞行试验中一子级箱间段的载荷。3.根据权利要求1所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，还包括：北斗短报文系统，用于获取火箭一子级返回段的实时飞行位置；通过所述无线信标装置，获取火箭一子级落点位置，其中，所述北斗短报文系统和所述无线信标装置互为冗余备份。4.根据权利要求3所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，在火箭主动段保持射频静默状态，不向外发送电磁辐射信号；在火箭一二级分离后，且待一、二级留有足够安全距离时，启动所述北斗短报文系统。5.根据权利要求1所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，所述无线信标装置包括：信标装置发射机和信标装置天线，当火箭一子级落地30min后，所述无线信标装置定时启动，并持续发送无线电信号。6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，在火箭一级箱间段设置4个采集存储单元天线，且4个天线周向间隔90
°
布置。7.根据权利要求1-5中任一项所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，采用自主配电方式，在火箭一级箱间段单独配置电池。8.根据权利要求1-5中任一项所述的用于运载火箭的回收式载荷测量系统，其特征在于，在火箭一子级落地后，通过地面测量设备读取所述采集存储单元中存储的测量数据，以对火箭飞行过程中的数据进行分析。

技术总结
本发明提供了一种用于运载火箭的回收式载荷测量系统，包括：采集单元、采集存储单元、采集存储单元天线、电池、光纤解调仪、无线信标装置、光纤应变测量装置、压力传感器、过载传感器；通过对运载火箭飞行过程中的多路载荷参数进行采集并存储；在一子级返回过程中，地面设备通过接收本系统发出的短报文数据，获取一子级实时飞行位置；一子级落地后，无线信标装置启动，通过地面设备识别无线信标装置发出的无线电信号，从而搜寻到火箭一子级，并获取安装在一子级上的采集存储单元；通过地面测试设备对采集存储单元内的数据进行读取、分析。从而可以直接获取火箭箭体结构不同攻角下的承载情况，具有独立性强、可靠性高、适应范围广等特点。点。点。


技术研发人员：陆辉 杨勇 毛玉明 刘锦凡 代孜尧
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28