CN101580125A - 多自由度姿态调节的万向缓冲器 - Google Patents

Abstract

一种多自由度姿态调节的万向缓冲器，属于对所使用飞行器或其他有效载荷进行缓冲及姿态调节的配置领域。它主要包括由万向节十字架(6)、连接框(2)、下支撑架(1)、上支撑架(8)构成的支撑结构；还包括安装于节十字架(6)上的刹车盘及倾斜姿态调节齿轮构成的底部倾斜能量缓冲及倾斜姿态调节机构；还包括由筒形活塞杆(9)、双层外筒(11)，及相应线圈组成的构成万向缓冲器中部垂直能量缓冲及垂直姿态调节机构。本发明弥补了传统缓冲器的不足，实现缓冲过程的可控性以及缓冲后姿态的可调节性。

Description

多自由度姿态调节的万向缓冲器

技术领域

本发明属于对所使用飞行器或其他有效载荷进行缓冲及姿态调节的配置领域。

技术背景

在航空航天领域中，当一个飞行器或有效载荷与其他物体之间发生碰撞时，会产生很大的瞬时冲击能量。如果这些能量得不到充分的吸收或者耗散，会导致飞行器或有效载荷及其内部的科学仪器因受到过量冲击而产生过大的结构变形甚至导致仪器失效，从而不能正常地完成任务。

虽然飞机着陆时速度不是很大，但是由于飞机的质量很大，在与地面碰撞的瞬间会产生巨大的冲击能量，在接下来的滑跑过程中也有很大的动能。如果飞机的缓冲系统在着陆瞬时不能吸收到绝大部分的冲击能量，或者在滑跑阶段不能有效地使飞机结构的加速度保持在允许的水平，就会严重影响到乘坐人员的舒适度甚至导致事故的发生。到现在为止，在飞机起落架中采用的缓冲器主要有固体弹簧缓冲器、液体弹簧缓冲器和油-气缓冲器等。每种缓冲器都存在着自己的优势，如固体弹簧缓冲器的结构简单、可靠性强且维修方便，液体弹簧缓冲器的可靠性强，油-气缓冲器的缓冲效率高等。但是，它们大都存在着结构质量大、缓冲过程中无法实现实时控制，以及缓冲后无法进行姿态回复和调节等问题。

在深空探测领域，所发射的星体探测器必须能够保证在星体表面不够平整，但又让研究人员感兴趣的地带着陆，探测器着陆系统设计允许探测器在星球表面产生适当的反弹，但不允许探测器产生翻滚。对于探测器着陆过程，中央控制系统需要根据探测器着陆状况，实时调节缓冲装置，使探测器能够实现稳定着陆。着陆后，因为探测任务需要，中央控制系统控制着陆支撑系统对探测器的有效载荷进行姿态调节，比如旋转、倾斜、上升和下降。所以，要求所设计的星体探测器软着陆系统在吸收和耗散绝大多数冲击能量，使探测器实现安全稳定着陆后，可以根据任务需要调整有效载荷的姿态。

在深空探测的月球探测方面，探测器软着陆系统中使用过的缓冲器主要有两种：(1)在勘察者系列、月球-17号和月球-24号中使用的液压缓冲器；(2)在阿波罗登月舱和欧洲月球2000中使用的铝蜂窝缓冲器，它们的缓冲过程在很大程度上是不可控制的，且缓冲之后不易对姿态进行调节。在小行星探测方面，我国的小行星探测器还处于设计阶段。但是，着陆缓冲过程的可控性与缓冲后姿态的可调节性无疑将为小行星探测活动带来很大的便利。

发明内容

本发明的目的：传统的在飞行器和有效载荷支撑上使用的缓冲器大都存在着缓冲过程不可控制和缓冲后不可进行自我姿态调节的问题。本发明在传统缓冲器结构的基础上，将可控刹车盘、电磁阻尼器和姿态调节电机等已经成熟的技术引入到缓冲器中来，弥补传统缓冲器的不足。

本发明的技术方案：包括万向节十字架、安装于万向节十字架四个接头上的连接框、安装于万向节十字架的两个相对接头上的下支撑架、安装于万向节十字架的另两个相对接头上的上支撑架，构成万向缓冲器底部的支撑结构；还包括安装于连接框与上支撑架或下支撑架之间的分别位于万向节十字架的两个相邻接头处的第一刹车盘和第二刹车盘；分别固定安装于上述万向节十字架的另外两个相邻接头上的第一倾斜姿态调节齿轮和第二倾斜姿态调节齿轮；固定安装在下支撑架上驱动第一倾斜姿态调节齿轮转动的第一倾斜姿态调节电机，固定安装在上支撑架上驱动第二倾斜姿态调节齿轮转动的第二倾斜姿态调节电机；构成万向缓冲器底部倾斜能量缓冲及倾斜姿态调节的完整机构；还包括与上支撑架固定连接的筒形活塞杆及双层外筒，其中双层外筒由外向内依次包括第一层筒壁和第二层筒壁，筒形活塞杆伸入第一层筒壁和第二层筒壁之间；第一层筒壁的内侧和第二层筒壁的外侧分别布置有用于通电产生电磁场的线圈；筒形活塞杆筒壁内布置有相互绝缘的两层线圈，这两层线圈分别与双层外筒的对应线圈构成电磁阻尼器和直线电机；上述双层外筒与筒形活塞杆之间安装有行程锁，双层外筒上还安装有用于支撑有效载荷的支撑轴承；构成万向缓冲器中部垂直能量缓冲及垂直姿态调节的完整机构；还包括固定安装于外筒顶部的旋转电机、与旋转电机的转子相连的用于旋转有效载荷的旋转齿轮，构成万向缓冲器顶部旋转姿态调节的完整结构。

本发明的原理在于以万向节十字架、连接框、上支撑架以及下支撑架组成多自由度姿态调节的万向缓冲器的整个底部框架；以分别固定于上、下支撑架上的两个倾斜姿态调节电机以及其对应驱动的两个固定于万向十字架接头上的倾斜姿态调节齿轮组成倾斜姿态调节机构，可调节有效载荷在平面两个自由度上的倾斜姿态；以安装于连接框与上支撑架或下支撑架之间的分别位于万向节十字架的两个相邻接头处的第一刹车盘和第二刹车盘为倾斜缓冲器，可吸收有效载荷在水平面上的冲击能量；以与上支撑架固定连接的筒形活塞杆及双层外筒组成中部结构，双层外筒第一层筒壁的内侧和第二层筒壁的外侧分别布置有用于通电产生电磁场的线圈，筒形活塞杆筒壁内布置有相互绝缘的两层线圈，这两层线圈分别与双层外筒的对应线圈构成电磁阻尼器和直线电机，电磁阻尼器可吸收垂直方向的冲击能量，直线电机可调节垂直自由度姿态；万向缓冲器的顶部结构由安装于外筒上的支撑轴承、旋转电机以及固定于旋转电机转子顶部的旋转齿轮组成，并通过支撑轴承和旋转齿轮与有效载荷连接，当旋转电机转动时，即可带动旋转齿轮转动，从而带动有效载荷转动，起到对有效载荷的姿态进行调节的作用。这样，就实现了对有效载荷进行水平和垂直方向上的缓冲以及四个自由度上的姿态调节功能。

上述多自由度姿态调节的万向缓冲器，其筒形活塞杆与双层外筒之间还可以设有起限制两者相互转动作用的凸块和凹槽。如果不设转动限位装置，则还可以使用筒形活塞杆与双层外筒之间安装的行程锁来实现限制其相互转动的功能，但有效载荷转动姿态调节必须在行程锁上锁后进行，即有效载荷的轴向运动与旋转运动不可耦合。

本发明的有益效果：

(a)、在缓冲方面

采用可控刹车盘作为倾斜侧向冲击的缓冲装置，电磁阻尼器为垂直方向上的缓冲装置，可通过分别控制刹车盘的刹车力矩和电磁阻尼器线圈中的电流强度，实现对缓冲过程的实时控制，使对冲击能量的吸收更加充分。电磁阻尼器及两个刹车盘缓冲器均有结构简单，质量小且缓冲性能稳定的优点，客服了传统缓冲器结构复杂，质量大且在空间环境下性能不稳定等不足。

(b)、在姿态调节方面

通过控制两个倾斜姿态调节电机以及旋转电机的转动，可实现有效载荷在三个转动自由度上姿态的精确调节。通过对直线电机中电流的控制，可以实现有效载荷在垂直高度上的精确调节。从整体来看，可以实现对三个转动自由度以及一个平动自由度上的姿态精确控制，从而使有效载荷的姿态满足任务的需要。

附图说明

附图1多自由度姿态调节的万向缓冲器结构示意图。其中图1-1是多自由度姿态调节的万向缓冲器正视图；图1-2是多自由度姿态调节的万向缓冲器的左视图。

附图2多自由度姿态调节的万向缓冲器轴向剖面图。

图中标号名称：1、下支撑架，2、连接框，3、第一倾斜姿态调整齿轮，4、第一刹车盘，5、第二刹车盘，6、万向节十字架，7、第二倾斜姿态调节齿轮，8、上支撑架，9、筒形活塞杆，10、行程锁，11、双层外筒，12、支撑轴承，13、旋转电机，14、旋转齿轮，15、第二倾斜姿态调节电机，16、第一倾斜姿态调节电机，17、第一层筒壁，18、活塞杆壁，19、第二层筒壁。

具体实施方式

多自由度姿态调节的万向缓冲器的结构如附图1、2所示。这里将说明该多自由度姿态调节的万向缓冲器的工作原理。

多自由度姿态调节的万向缓冲器的工作原理是：

(a)、当飞行器碰撞时，碰撞冲击力传递到下支撑架1、万向节十字架6以及上支撑架8，第一刹车盘4与第二刹车盘5转动通过其内部刹车力矩所产生相应的摩擦阻力来缓冲倾斜侧向冲击；可根据反馈数据调节刹车盘的刹车力矩，使得缓冲充分且可控。同时，接通筒形活塞杆9与双层外筒11壁内电磁阻尼器线圈的电流，筒形活塞杆9在冲击力的作用下与双层外筒11发生相对运动，产生相应的电磁感应，进而产生与相对运动方向相反的缓冲力，起到垂直方向的缓冲作用；可根据反馈数据，对线圈内部电流的大小进行实时控制，使缓冲更加高效、充分。在此过程中，用于姿态调节的两个倾斜姿态调节电机、直线电机以及旋转电机不参与工作。缓冲结束后，断开线圈，并启动安装与筒形活塞杆9与双层外筒11之间的行程锁10，将双层外筒11锁定到筒形活塞杆9上。

(b)、缓冲结束后，启动第一倾斜姿态调节电机16和第二倾斜姿态调节电机15，将有效载荷调节到要求的倾斜姿态。打开行程锁10，接通筒形活塞杆9与双层外筒11之间直线电机线圈中的电流，根据有效载荷的实时高度控制电流的大小与流向，筒形外筒11在直线电机的带动下上升或者下降，从而带动有效载荷上升或者下降。当有效载荷升降到需要的高度时，启动行程锁10，将双层外筒11连同有效载荷锁定在这个位置，并停止通电。

(c)、启动双层外筒11顶端的旋转电机13，根据有效载荷(如摄像机)对其朝向的要求，控制旋转电机工作，将有效载荷调节到任务需要的朝向。

Claims (2)

1、一种多自由度姿态调节的万向缓冲器，其特征在于：

包括万向节十字架(6)、安装于万向节十字架(6)四个接头上的连接框(2)、安装于万向节十字架(6)的两个相对接头上的下支撑架(1)、安装于万向节十字架(6)的另两个相对接头上的上支撑架(8)，构成万向缓冲器底部的支撑结构；

还包括安装于连接框(2)与上支撑架(8)或下支撑架(1)之间的分别位于万向节十字架(6)的两个相邻接头处的第一刹车盘(4)和第二刹车盘(5)；分别固定安装于上述万向节十字架(6)的另外两个相邻接头上的第一倾斜姿态调节齿轮(3)和第二倾斜姿态调节齿轮(7)；固定安装在下支撑架(1)上驱动第一倾斜姿态调节齿轮(3)转动的第一倾斜姿态调节电机(16)，固定安装在上支撑架(8)上驱动第二倾斜姿态调节齿轮(7)转动的第二倾斜姿态调节电机(15)；构成万向缓冲器底部倾斜能量缓冲及倾斜姿态调节的完整机构；

还包括与上支撑架(8)固定连接的筒形活塞杆(9)及双层外筒(11)，其中双层外筒(11)由外向内依次包括第一层筒壁(17)和第二层筒壁(19)，筒形活塞杆(9)伸入第一层筒壁(17)和第二层筒壁(19)之间；第一层筒壁(17)的内侧和第二层筒壁(19)的外侧分别布置有用于通电产生电磁场的线圈；筒形活塞杆(9)筒壁内布置有相互绝缘的两层线圈，这两层线圈分别与双层外筒(11)的对应线圈构成电磁阻尼器和直线电机；上述双层外筒(11)与筒形活塞杆(9)之间安装有行程锁(10)，双层外筒(11)上还安装有用于支撑有效载荷的支撑轴承(12)；构成万向缓冲器中部垂直能量缓冲及垂直姿态调节的完整机构；

还包括固定安装于外筒(11)顶部的旋转电机(13)、与旋转电机(13)的转子相连的用于旋转有效载荷的旋转齿轮(14)，构成万向缓冲器顶部旋转姿态调节的完整结构。

2、根据权利要求1所述的多自由度姿态调节的万向缓冲器，其特征在于：筒形活塞杆(9)与双层外筒(11)之间设有起限制两者相互转动作用的凸块和凹槽。

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