CN104192321B - 一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置，包括安装框架、花瓣结构、主着陆腿、辅助着陆腿、液压系统；安装框架固定在空间探测器本体上，花瓣结构安装在安装框架下端部，主着陆腿和辅助着陆腿分别与安装框架固连,主着陆腿另一端与花瓣结构中心转轴连接，辅助着陆腿另一端与主着陆腿连接。主着陆腿和辅助着陆腿中放置有液压缓冲系统和部分液压收放系统，保持着陆过程中的姿态稳定和着陆后的长久支撑；通过装置可实现空间探测器在拥有稀薄大气星球上降落的功能；同时,可在星球表面进行软着陆；空间探测器气动减速面积与最大截面积之比较大，气动减速效率高,不须抛弃气动减速装置；特别适用于航天探测器。

Description

一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置

技术领域

本发明涉及一种航天器着陆装置，具体地说,涉及一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置。

背景技术

文献“多腿式月球探测软着陆器着陆动力学建模与仿真研究”(南昌大学硕士研究生学位论文，2008年)和“腿式着陆缓冲装置吸能特性及软着陆过程动力学仿真研究”(哈尔滨工业大学博士学位论文，2013年)中描述了软着陆着陆器多采用腿式软着陆机构，着陆腿围绕着陆器中心轴均匀分布。根据单个着陆腿构型的不同，着陆腿可分为“倒三角式”和“悬臂梁式”着陆腿，缓冲器安装在着陆腿的主支柱和辅助支柱中，可使用铝蜂窝结构、液压/气压、感应磁阻尼的结构作为缓冲器，着陆足垫置于主支柱下方。软着陆机构应用在火星等有稀薄大气的星球，需要在在着陆器外包裹一个气动舱，在着陆前需要将气动舱抛离，露出软着陆机构，然后进行着陆。

发明专利CN102438906A中公开了“空间探测器的着陆装置及装有所述装置的探测器着陆方法”其着陆时着陆腿可以伸缩，但仍需将气动舱抛离。在专利CN103661965A中介绍了“一种内置式可伸缩着陆缓冲机构”，着陆缓冲机构缓冲使用铝蜂窝结构，使其结构复杂，没有充分利用液压的优势。专利CN202508286U中描述了“一种可折叠的着陆缓冲机构”,但其着陆缓冲机构并未能改善气动减速性能。

以降落在火星表面为例，现有火星探测器的质量均小于1000kg，随着火星探测器质量的增大，甚至出现载人火星探测，根据“载人火星探测任务方案构想”(上海航天，2014年第1期)载人火星着陆器重量将高达10t，更大的质量需要更大的气动减速性能；但是，运载火箭整流罩直径不仅限制了火星着陆器大小，同时限制了着陆器迎风面积大小。现有的在火星着陆器气动舱和软着陆机构是可分离的，减速过程中气动减速装置进行气动减速，在着陆前气动舱被抛离，露出着陆腿，然后进行着陆。现有技术中气动舱在下降到火星表面时已经抛离，着陆器本体直接暴露在火星大气中；据已有研究表明，火星大气中尘埃较多，尤其在火星风暴期间，火星环境更加恶劣，裸露的空间探测器非常容易受到火星环境的影响。综上，现有火星着陆器气动减速效率较低，结构利用率有待提高。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置。该装置可实现在拥有稀薄大气星球中降落的功能，同时,可在星球表面进行软着陆；空间探测器气动减速面积与最大截面积之比较大，气动减速效率高,不须抛弃气动减速装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括安装框架、花瓣结构、主着陆腿、辅助着陆腿、液压系统，所述安装框架为圈形框架结构,安装框架固定在空间探测器本体上，花瓣结构沿安装框架均布,通过转轴安装在安装框架下端部，主着陆腿沿安装框架上端部均布,主着陆腿与安装框架通过转轴固连,主着陆腿另一端与花瓣结构中心转轴连接，辅助着陆腿沿安装框架下端部均布,辅助着陆腿与安装框架下端部固连,辅助着陆腿另一端与主着陆腿连接，主着陆腿、辅助着陆腿、花瓣结构中心轴位于同一垂直平面,且主着陆腿、辅助着陆腿、花瓣结构数量相同；

所述液压系统由液压收放系统和液压缓冲器组成，液压收放系统包括液压控制器、液压作动器、液体介质，液压缓冲器包括温控装置、阻尼板、液压缸，液压收放系统控制主着陆腿、辅助着陆腿的收放，液压控制器置于着陆器本体内部，用于控制主着陆腿、辅助着陆腿中液体介质的量，主着陆腿、辅助着陆腿在液体介质量不同时，可相对移动；液压缓冲器置于主着陆腿和辅助着陆腿中，吸收着陆时产生的冲击能量，阻尼板在液压缓冲器缓冲时，液体介质流过阻尼板上的阻尼孔产生所需的阻尼力，温控装置安装在阻尼板上调节液体介质温度。

所述花瓣结构至少为三个花瓣叶。

有益效果

本发明提出的空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置,该装置安装在空间探测器上,可在拥有稀薄大气星球上进行着陆气动减速、软着陆。

一般而言,气动减速面积越大气动减速效果越佳，可用气动减速面积同最大截面积之比反映气动减速装置效率。本发明技术方案与其它多种火星气动减速舱设计参数对比如下表:

以前往火星并在火星表面着陆的火星着陆器为例，与已提出的各类方案相比较，可用制动面面积与体积相比较大，与最大截面积之比较大，通过花瓣式展开尽可能在气动舱相同体积的情况下，增大其有效制动面积，可有效增加升降空间探测器的效率。

液压缓冲器可与液压收放系统组合，减少结构复杂性，其阻尼性能以线性增大，能控制缓冲速度,并且缓冲结束后能复位，保持着陆器的支撑姿态，非常适合于返回舱的起飞，由于花瓣结构着陆缓冲的行程较大，故其平均过载较小，非常适合载人登陆空间探测器,及对过载要求小的空间探测器。

整个装置将气动减速、软着陆、保护集成到一个装置中，避免了抛弃气动舱，融合了展开机构和缓冲装置，取消了着陆足垫。具有较强的气动减速效率，同时具有较高的结构利用率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置作进一步详细说明。

图1为本发明空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置示意图。

图2为本发明的液压系统示意图。

图3为本发明的花瓣结构收拢状态示意图。

图4为本发明的花瓣结构半展开状态示意图。

图5为本发明的花瓣结构完全展开状态示意图。

图中:

1.安装框架2.花瓣结构3.主着陆腿4.辅助着陆腿5.阻尼板6.温控装置7.液体介质

具体实施方式

本实施例是一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置。

参阅图1～图5,本实施例空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置,

包括安装框架1、花瓣结构2、主着陆腿3、辅助着陆腿4、液压系统，安装框架1为圈形框架结构,安装框架1固定在空间探测器本体上，花瓣结构2沿安装框架1均布,通过转轴安装在安装框架1下端部，主着陆腿3沿安装框架1上端部均布,主着陆腿3与安装框架1通过转轴固连,主着陆腿3另一端与花瓣结构2中心转轴连接，辅助着陆腿4沿安装框架1下端部均布,辅助着陆腿4与安装框架1下端部固连,辅助着陆腿4另一端与主着陆腿3连接，主着陆腿3、辅助着陆腿4、花瓣结构2中心轴位于同一垂直平面,且主着陆腿3、辅助着陆腿4、花瓣结构2数量相同。花瓣结构2至少为三个花瓣叶。主着陆腿3与辅助着陆腿4为花瓣结构2收放、稳定和空间探测器站立所需组件，是液压系统所要驱动的部分。主着陆腿3与辅助着陆腿4中放置有液压缓冲系统和部分液压收放系统，保持着陆过程中的姿态稳定和着陆后的长久支撑。

液压系统由液压收放系统和液压缓冲器组成，液压收放系统包括液压控制器、液压作动器、液体介质7，液压缓冲器包括温控装置6、阻尼板5、液压缸，液压收放系统控制主着陆腿3、辅助着陆腿4的收放，液压控制器置于着陆器本体内部，用于控制主着陆腿3、辅助着陆腿4中液体介质7的量，主着陆腿3、辅助着陆腿4在液体介质7量不同时，可相对移动；液压缓冲器置于主着陆腿3和辅助着陆腿4中，吸收着陆时产生的冲击能量，保证空间探测器搭载的设备不受到损坏，阻尼板在液压缓冲器缓冲时，液体介质7流过阻尼板5上的阻尼孔产生所需的阻尼力，温控装置6安装在阻尼板5上调节液体介质7温度，保证液体介质7的物理性能。

各部件通过探测器携带的控制计算发出指令，液压控制器控制液压缸中液体介质7的量来控制主着陆腿3与辅助着陆腿4的伸缩，来控制着主着陆腿3与辅助着陆腿4及整个空间探测器的姿态。当主着陆腿3中液体介质7的量增多或者减少，主着陆腿3伸长或者缩短，辅助着陆腿4的液体介质7量的多少通过液压控制器控制，由辅助着陆腿4的长度确定，而辅助着陆腿4的长度是通过辅助着陆腿4与主着陆腿3之间的位置关系确定。

当主着陆腿3收缩到最短时，液压控制器控制液体介质7的量减到最少，液压控制器控制辅助着陆腿4中液体介质7的量随辅助着陆腿长度改变而改变，空间探测器的花瓣结构2达到收拢状态。

当主着陆腿3处于半展开状态，主着陆腿3伸长到一半位置，并未伸长到最长，液压控制器控制主着陆腿3中液体介质7的量增加到一定量，液压控制器控制辅助着陆腿4中液体介质7的量随辅助着陆腿长度改变而改变，空间探测器的花瓣结构2达到半展开状态。

当主着陆腿3处于全展开状态，主着陆腿3伸长到最长，液压控制器控制主着陆腿3中液体介质7的量增加到最大，液压控制器控制辅助着陆腿4中液体介质7的量随辅助着陆腿长度改变而改变，空间探测器的花瓣结构达到完全展开状态。

实施例以前往火星并在火星表面降落为示例，当主着陆腿3与辅助着陆腿4处于收回状态，花瓣结构2包裹整个空间探测器，前往火星途中此状态用于保护空间探测器；在火星表面时也可处于此状态，用以减少火星风暴大气现象对空间探测器的影响。当主着陆腿3与辅助着陆腿4处于半展开状态时，花瓣结构2处于全展开状态，整个空间探测器具有较大的迎风面积，气动减速性能较优。当主着陆腿3与辅助着陆腿4处于全展开状态时，花瓣结构2处于完全展开状态，花瓣结构2位于空间探测器主体的下方，相当于着陆足垫的功能，当花瓣结构2接触星球表面时，花瓣结构2受到冲击力，将冲击力和力矩传递到与安装框架1和主着陆腿3与辅助着陆腿4上，主着陆腿3与辅助着陆腿4中缓冲器进行缓冲。

本实施例中花瓣结构2的数量不受限制，花瓣结构2至少为三个花瓣叶。花瓣结构2在闭合时可以相互重叠，花瓣结构2闭合时需能将空间探测器包裹起来。空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置,可实现在拥有稀薄大气星球中降落的功能，同时,可在星球表面进行软着陆；空间探测器气动减速面积与最大截面积之比较大，气动减速效率高,不须抛弃气动减速装置。

Claims (2)

1.一种空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置,其特征在于:包括安装框架、花瓣结构、主着陆腿、辅助着陆腿、液压系统，所述安装框架为圈形框架结构,安装框架固定在空间探测器本体上，花瓣结构沿安装框架均布,通过转轴安装在安装框架下端部，主着陆腿沿安装框架上端部均布,主着陆腿与安装框架通过转轴固连,主着陆腿另一端与花瓣结构中心转轴连接，辅助着陆腿沿安装框架下端部均布,辅助着陆腿与安装框架下端部固连,辅助着陆腿另一端与主着陆腿连接，主着陆腿、辅助着陆腿、花瓣结构中心轴位于同一垂直平面,且主着陆腿、辅助着陆腿、花瓣结构数量相同；

所述液压系统由液压收放系统和液压缓冲器组成，液压收放系统包括液压控制器、液压作动器、液体介质，液压缓冲器包括温控装置、阻尼板、液压缸，液压收放系统控制主着陆腿、辅助着陆腿的收放，液压控制器置于着陆器本体内部，用于控制主着陆腿、辅助着陆腿中液体介质的量，主着陆腿、辅助着陆腿在液体介质量不同时，可相对移动；液压缓冲器置于主着陆腿和辅助着陆腿中，吸收着陆时产生的冲击能量，阻尼板在液压缓冲器缓冲时，液体介质流过阻尼板上的阻尼孔产生所需的阻尼力，温控装置安装在阻尼板上调节液体介质温度。

2.根据权利要求1所述的空间探测器气动减速、软着陆、保护一体化装置,其特征在于:所述花瓣结构至少为三个花瓣叶。