CN107187616A - 一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法，通过集成着陆行驶机构，实现了着陆缓冲、巡视以及探测为一体化的设计，简化了航天着陆器的系统，提高了整个航天着陆器系统的可靠性。着陆行驶机构包括主缓冲支柱、辅缓冲支柱以及连接接头、足垫、三杆支撑装置、支撑架、主、辅控导轨、驱动电机、主控导轨滑动接头、行走轮控制支撑柱、行走轮；主缓冲支柱一端通过三杆支撑装置与支撑架一端连接，另一端安装有足垫；主控导轨固定在支撑架上；行走轮控制支撑柱一端通过主控导轨滑动接头与主控导轨连接，另一端安装有行走轮。主、辅缓冲支柱内采用可重复使用的缓冲元件，实现探测器重复性使用，提高了资源利用率，大大节约了成本。

Description

一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法

技术领域

本发明涉及航天探测器技术领域，具体是一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法。

背景技术

地外星探测从上世纪50年代到目前已有六十余年了，从早期的单一月球探测到现在深空地表探测。总体来说，星表探测器设计主要分为两种，一种采用着陆器—巡视器分离设计形式，例如，我国探月工程中嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器（简称着陆器）和月面巡视探测器组成。着陆器与巡视器采用分离式设计形式，设计组装繁琐，且整体可靠性低。另外一种类型为“空中吊车”的形式，即当着探测器的“空中吊车”在火星表面达到准静态飞行后，通过吊车和绳索使巡视器带到预定的着陆位置，如美国“好奇”号火星车。但这种方法在推进剂方面技术复杂，费用高昂，且风险大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法，该航天着陆器及其工作方法避免了巡视器和着陆器分离设计的繁琐，简化了探测系统组成，提高了工程实施的可靠性。

为实现上述发明目的，本发明的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，包括舱体机体、着陆行驶机构，所述着陆行驶机构分布在舱体机体周围并固定在舱体机体上；所述着陆行驶机构包括主缓冲支柱、辅缓冲支柱以及连接接头 、足垫、三杆支撑装置、支撑架、主、辅控导轨、驱动电机、主控导轨滑动接头、行走轮控制支撑柱、行走轮；所述主缓冲支柱一端通过三杆支撑装置与支撑架一端连接，另一端安装有足垫；主控导轨固定在支撑架上，主控驱动电机用于驱动主控导轨；行走轮控制支撑柱一端通过主控导轨滑动接头与主控导轨连接，另一端安装有行走轮。

进一步的，所述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器还包括若干对辅缓冲支柱、与辅缓冲支柱数量对应的辅控导轨以及导轨滑动接头；所述辅控导轨分别位于主控导轨两侧；所述辅缓冲支柱一端通过辅缓冲支柱导轨滑动接头与对应的辅缓冲支柱导轨连接，辅缓冲支柱一端与辅控导轨滑动接头之间通过万向铰连接，辅缓冲支柱的另一端与主缓冲支柱通过球铰连接。

更进一步，所述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器还包括主辅导轨协调连件，主辅导轨协调连件中部通过主控导轨滑动接头与主控导轨连接，所述主辅导轨协调连件的两端通过辅控导轨滑动接头与辅控导轨连接。

进一步的，所述三杆支撑装置包括三根支撑杆，所述三根支撑杆组成撑四面体形式；三根支撑杆一端均与所述主缓冲支柱一端通过万向铰连接；三根支撑杆另一端分别与支撑架固定连接。

进一步的，所述足垫与主缓冲支柱之间通过球铰连接。

进一步的，所述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器还包括主控电机和行走轮驱动电机；所述的主控电机设置在基体上部，可驱动主控导轨，实现着陆腿收放；所述旋转电机设置在行走轮控制支撑柱上远离行走轮的一端，主要实现行走轮转弯功能；所述行走驱动电机为行走轮前进驱动电机，设置在行走轮的旋转轴内。进一步的，所述主缓冲支柱、辅缓冲支柱内设置缓冲器，所述缓冲器若采用可重复使用的缓冲元件，例如磁流变缓冲、油液缓冲，颗粒弹簧复合式等形式，可以实现探测器重复性使用。若采用一次性缓冲元件，如铝蜂窝缓冲元件，泡沫铝形式元件，材料塑性变形元件等，则航天着陆器仅能实现一次着陆缓冲，仅可以当做地表巡视器。

上述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器的工作方法，包括以下步骤：

所述航天着陆器发射时，将所述主控导轨连接头和辅缓冲支柱导轨滑动接头均滑动在导轨上部，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱夹角趋于零，进而主缓冲支柱沿固定点向航天着陆器内侧旋转。在此阶段中，由于主控导轨连接滑动接头位于远离行走轮的那一端，行走轮控制支撑柱以及对应的行走轮均收起。

所述航天着陆器在轨后，探测器控制系统给出展开信息后，在主控导轨电机作用下主控导轨发生正向旋转，主控导轨滑动接头位置向下移动，且在主辅导轨协调连件带动下使辅缓冲支柱导轨滑动接头向下移动。因辅缓冲支柱导轨滑动接头滑动，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱达到最佳展开角（具体着陆形式设定）。此时，行走轮未与地面接触，且存在安全距离。

所述航天着陆器着陆稳定后、开展巡视工作前，主控导轨电机继续作用在主控导轨上，使行走轮与地面接触，且支撑起整个航天着陆器。主缓冲支柱和辅缓冲支柱在此过程中变化趋势是，从最佳展开角增加到最大展开角，然后逐渐较小。待行走轮全部支撑起航天着陆器时，主缓冲支柱和辅缓冲支柱的夹角为最小，此时航天着陆器达到可以行走状态。在此过程中，足垫与行走轮控制支撑柱以及行走轮发生干涉。支撑稳定后，航天着陆器控制系统给出巡视信息后，行走轮驱动电机驱动行走轮转动实现航天着陆器行走。转弯时，行走轮旋转电机驱动行走轮支撑柱旋转，使旋转支柱行走轮转动，实现航天着陆器旋转功能。

进一步的，所述主导轨在主控导轨电机作用下逆向旋转，能够实现上述过程逆运行。

本发明的一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法，通过集成着陆行驶机构，实现了着陆缓冲、巡视以及探测为一体化的设计，简化了航天着陆器的系统，提供高了整个航天着陆器系统的可靠性。主缓冲支柱、辅缓冲支柱内采用可重复使用的缓冲元件，实现探测器重复性使用，提高了资源利用率，大大节约了成本。

附图说明

图1 为本发明航天着陆器整体结构示意图；

图2 为本发明航天着陆器着陆行驶机构结构示意图1；

图3 为本发明航天着陆器着陆行驶机构部分结构示意图2；

图4 为本发明航天着陆器着陆行驶机构未展开阶段示意图；

图5 为本发明航天着陆器着陆行驶机构着陆前展开阶段示意图；

图6 为本发明航天着陆器着陆行驶机构可行走阶段示意图。

1：着陆行驶机构；2：舱体机体；3：主控导轨驱动电机；4：足垫；5：主缓冲支柱；6：主辅支柱连接件；7：三杆支撑装置；8：导轨固定架；9：右辅控导轨；10；右辅助缓冲支柱；11：行走轮；12：左辅助缓冲支柱；13：行走轮行走驱动电机；14：行走轮控制支撑柱；15：左侧辅缓冲支柱连接接头；16：左侧辅控导轨；17：主控导轨；18：主、辅控导轨连接件；19：右侧辅缓冲支柱连接接头；20：主控导轨滑动接头；21：行走轮转弯驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器及其工作方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”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。

如图1所示，本发明的一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，包括舱体机体2、着陆行驶机构1，着陆行驶机构1分布在舱体机体2周围并固定在舱体机体2上，一般情况下，着陆行驶机构1均匀分布，数量可选4、6、8等等，本实施例选用4个着陆行驶机构1，符合实际要求的数量均是可以的。如图2、3所示，着陆行驶机构1 包括主缓冲支柱5 、足垫4、主缓冲支柱5、主辅导轨协调连件6、三杆支撑装置7、导轨固定架8、右辅控导轨9、右辅助缓冲支柱10、行走轮11、左辅助缓冲支柱12、行走轮行走驱动电机13、行走轮控制支撑柱14、左侧辅缓冲支柱连接接头15、左侧辅控导轨16、主控导轨17、主、辅控导轨连接件18、右侧辅缓冲支柱连接接头19、主控导轨滑动接头20、行走轮转弯驱动电机21。

在本实施例中，一个着陆行驶机构各主要零部件数量如下：1个主控导轨以及相应滑动接头，2个辅控导轨以及相应滑动接头，1个协调连件，1个行走轮控制支撑柱以及对应的行走轮，1个主缓冲支柱，2个辅缓冲支柱，1个足垫以及3个支撑杆（3个支撑杆组成三杆支撑装置7）和3个驱动电机。应当说明的是，以上数量只是为了举例说明本发明的航空探测器的结构及组成，并不对保护范围造成限制。

主缓冲支柱5一端通过三杆支撑装置7与支撑架8一端连接，另一端安装有足垫4，足垫4与主缓冲支柱5之间通过球铰连接。具体来讲，三杆支撑装置7的三根支撑杆组成撑四面体形式；三根支撑杆一端均与主缓冲支柱5一端通过万向铰连接；三根支撑杆另一端分别与支撑架连接 。主控导轨16固定在支撑架8上，左侧辅控导轨9和右侧辅控导轨16分别位于主控导轨17两侧。行走轮控制支撑柱14一端通过主控导轨滑动接头20与主控导轨17连接，另一端安装有行走轮11。行走轮控制支撑柱14与对应行走轮17连接与飞机起落架轮胎约束一样。

左侧辅缓冲支柱一端通过左侧辅缓冲支柱导轨滑动接头12与左侧辅控导轨16连接，右侧辅缓冲支柱一端通过右侧辅缓冲支柱导轨滑动接头19与右侧辅控导轨9连接。左、右侧辅缓冲支柱一端与左、右侧辅缓冲支柱导轨滑动接头9、15之间均通过万向铰连接，左、右侧辅缓冲支柱的另一端与主辅缓冲支柱连接件6均通过球铰连接。主辅缓冲支柱连接件6固定在主缓冲支柱5上。

主辅控导轨协调连件18中部通过主控导轨滑动接头20与主控导轨17连接，主辅导轨协调连件18的两端通过左、右侧辅缓冲支柱导轨滑动接头9、19与左、右侧辅控轨16、9连接。

行走轮转弯驱动电机21设置在行走轮控制支撑柱14上远离行走轮11的一端；行走驱动电机13设置在行走轮11的旋转轴内。

主缓冲支柱5、辅缓冲支柱10、12内均设置缓冲器，缓冲器若采用可重复使用的缓冲元件，例如磁流变缓冲、油液缓冲，颗粒弹簧复合式等形式，可以实现探测器重复性使用。若采用一次性缓冲元件，如铝蜂窝缓冲元件，泡沫铝形式元件，材料塑性变形元件等，则航天着陆器仅能实现一次着陆缓冲，仅可以当做地表巡视器。

上述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器的工作方法，包括以下步骤：

如图4所示，航天着陆器发射时，将主控导轨连接头和辅缓冲支柱导轨滑动接头均布置在导轨上远离行走轮的那一端，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱夹角趋于零，进而主缓冲支柱沿固定点向航天着陆器内侧旋转。在此阶段中，由于主控导轨连接滑动接头位于远离行走轮的那一端，行走轮控制支撑柱以及对应的行走轮均收起。

如图5所示，航天着陆器在轨后，探测器控制系统给出展开信息后，在主控导轨电机作用下主控导轨发生正向旋转，主控导轨滑动接头位置向下移动，且在主辅导轨协调连件带动下使辅缓冲支柱导轨滑动接头向下移动。因辅缓冲支柱导轨滑动接头滑动，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱达到最佳展开角（具体着陆形式设定）。此时，行走轮未与地面接触，且存在安全距离。

如图6所示，航天着陆器着陆稳定后、开展巡视工作前，主控导轨电机继续作用在主控导轨上，使行走轮与地面接触，且支撑起整个航天着陆器。主缓冲支柱和辅缓冲支柱在此过程中变化趋势是，从最佳展开角增加到最大展开角，然后逐渐较小。待行走轮全部支撑起航天着陆器时，主缓冲支柱和辅缓冲支柱的夹角为最小，此时航天着陆器达到可以行走状态。在此过程中，足垫与行走轮控制支撑柱以及行走轮发生干涉。支撑稳定后，航天着陆器控制系统给出巡视信息后，行走驱动电机驱动行走轮转动实现航天着陆器行走。转弯时，旋转电机驱动行走轮支撑柱旋转，使旋转支柱行走轮转动，实现航天着陆器旋转功能。

主导轨在主控导轨电机作用下逆向旋转，能够实现上述过程逆运行。

上述的航天着陆器的传载过程如下：

当航天着陆器着陆时，载荷是通过足垫传递到主辅支柱上，分别在并通过三支持连杆以及辅助控制导轨传递到探测器机体上。

当着陆器支撑行走时，载荷是通过行走轮传递到探测器机体上。传递路径为：地面-行走轮-行走轮支撑柱-主导轨滑动连接接头以及主导轨-探测器机体。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (9)

1.一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，包括舱体机体，其特征在于，还包括着陆行驶机构，所述着陆行驶机构分布在舱体机体周围并固定在舱体机体上；着陆行驶机构包括主缓冲支柱、辅缓冲支柱以及连接接头 、足垫、三杆支撑装置、支撑架、主、辅控导轨、驱动电机、主控导轨滑动接头、行走轮控制支撑柱、行走轮；主缓冲支柱一端通过三杆支撑装置与支撑架一端连接，另一端安装有足垫；主控导轨固定在支撑架上，主控导轨驱动电机用于驱动主控导轨；行走轮控制支撑柱一端通过主控导轨滑动接头与主控导轨连接，另一端安装有行走轮。

2.根据权利要求1所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，还包括与辅缓冲支柱数量对应的辅缓冲支柱导轨和辅缓冲支柱导轨滑动接头；所述辅缓冲支柱导轨分别位于主控导轨两侧；所述辅缓冲支柱一端通过辅缓冲支柱导轨滑动接头与对应的辅缓冲支柱导轨连接，辅缓冲支柱一端与辅缓冲支柱导轨滑动接头之间通过万向铰连接，辅缓冲支柱的另一端与主缓冲支柱通过球铰连接。

3.根据权利要求2所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，还包括主辅导轨协调连件，主辅导轨协调连件中部通过主控导轨滑动接头与主控导轨连接，所述主辅导轨协调连件的两端通过辅缓冲支柱导轨滑动接头与辅缓冲支柱导轨连接。

4.根据权利要求1所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，所述三杆支撑装置包括三根支撑杆，所述三根支撑杆组成撑四面体形式；三根支撑杆一端均与所述主缓冲支柱一端通过万向铰连接；三根支撑杆另一端分别与支撑架连接 。

5.根据权利要求1所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，所述足垫与主缓冲支柱之间通过球铰连接。

6.根据权利要求1所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，所述集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器还包括主控电机和行走轮驱动电机；所述的主控电机设置在基体上部，可驱动主控导轨，实现着陆腿收放；所述旋转电机设置在行走轮控制支撑柱上远离行走轮的一端，主要实现行走轮转弯功能；所述行走驱动电机为行走轮前进驱动电机，设置在行走轮的旋转轴内。

7.根据权利要求1至5任一项所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器，其特征在于，所述主缓冲支柱、辅缓冲支柱内设置缓冲器，所述缓冲器采用可重复使用的缓冲元件或者采用一次性缓冲元件。

8.一种集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述航天着陆器发射时，将所述主控导轨连接头和辅缓冲支柱导轨滑动接头均布置在导轨上远离行走轮的那一端，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱夹角趋于零，行走轮控制支撑柱以及对应的行走轮均收起；

所述航天着陆器在轨后，探测器控制系统发出展开信息，主控导轨在主控导轨电机作用下发生正向旋转，主控导轨滑动接头位置向下移动，且在主辅导轨协调连件带动下使辅缓冲支柱导轨滑动接头向下移动；因辅缓冲支柱导轨滑动接头滑动，使主缓冲支柱和辅缓冲支柱达到最佳展开角，此时，行走轮未与地面接触，且存在安全距离；

所述航天着陆器着陆稳定后、开展巡视工作前，主控导轨电机继续作用在主控导轨上，使行走轮与地面接触，且支撑起整个航天着陆器；使主缓冲支柱和辅缓冲支柱从最佳展开角增加到最大展开角，然后逐渐较小；待行走轮全部支撑起航天着陆器时，主缓冲支柱和辅缓冲支柱的夹角为最小，此时航天着陆器达到可以行走状态；在此过程中，足垫与行走轮控制支撑柱以及行走轮发生干涉；支撑稳定后，航天着陆器控制系统发出巡视信息，行走驱动电机驱动行走轮转动实现航天着陆器行走；转弯时，旋转电机驱动行走轮支撑柱旋转，使旋转支柱行走轮转动，实现航天着陆器旋转功能。

9.根据权利要求8所述的集成着陆缓冲和行走功能的航天着陆器的工作方法，其特征在于，所述主导轨在主控导轨电机作用下逆向旋转，实现所述工作过程逆运行。