CN110844125B - 一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置，足垫与支腿主支柱通过球铰连接头相连，球铰与足垫之间设有金属橡胶块；内、外套筒之间设有单向阻尼器和长弹簧，单向阻尼器在压缩过程没有阻尼，拉伸过程有阻尼，长弹簧压缩可以将冲击动能储存，达到最大压缩量之后单向阻尼器工作，弹簧缓慢恢复原长使得着陆腿姿态恢复；载荷箱通过CR型钢丝绳减震器与上、下框架连接，通过GS型钢丝绳减震器与外筒连接，外筒通过可调阻尼器和短弹簧与内筒连接。本发明形成多重隔冲机制，提高了隔冲效率，并且可以重复使用，适用于地球、月球、火星以及小行星等行星的着陆及探测活动中。

Description

一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置

技术领域

本发明涉及着陆缓冲装置，具体地说是一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置。

背景技术

随着近地和深空探测技术的发展，着陆装置通常需要搭载有效载荷；而由于着陆环境具有未知、多变和强冲击等特点，如不进行有效防护，有效载荷必然发生破坏。所以，着陆装置需要具备较强的环境适应性，并且可以进行多方向隔冲。

此外，部分近地探测任务(如战场侦察等)具有特殊性和不可重复性，这就要求着陆装置具有高可靠性、可回收性及可重复使用等特征；从而降低成本，提高着陆装置的使用效率。而机械着陆方式以可靠性高、应用范围大等优点成为着陆装置的首选。

发明内容

为了解决现有着陆器的可靠性差、不可重复使用和成本高的问题，本发明的目的在于提供一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置。该腿式着陆缓冲装置可用于地面及深空探测活动中，可被重复使用，并且可以携带有效载荷。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括上框架、着陆腿、钢丝绳减震器A、钢丝绳减震器B、载荷箱及下框架，其中上框架与下框架之间通过多个着陆腿相连，该上、下框架与各着陆腿围成的空间内容置有载荷箱；所述着陆腿包括上端盖、内筒、外筒、单向阻尼器、长弹簧、支腿主支柱、可调阻尼器、短弹簧、足垫、球铰连接头及下端盖，该内筒的上下两端分别与上、下框架相连，且内筒的上下两端分别连接有上端盖及下端盖，所述内筒内容置有单向阻尼器及长弹簧，该单向阻尼器安装于上端盖上，单向阻尼器的活塞杆与插入内筒的支腿主支柱相连，该单向阻尼器及单向阻尼器的活塞杆外部套设有长弹簧，所述长弹簧的两端分别与上端盖及支腿主支柱抵接；所述外筒可相对移动地套设于内筒外部，该外筒的一端或两端通过所述可调阻尼器与内筒连接，所述外筒的一端或两端与内筒对应的端部之间套设有短弹簧；所述支腿主支柱的一端可相对移动地插入内筒内，并与活塞杆相连，该支腿主支柱的另一端与安装于足垫上的球铰连接头连接；所述载荷箱与上、下框架之间均通过钢丝绳减震器A连接，与各所述着陆腿的外筒之间通过钢丝绳减震器B相连。

其中：所述可调阻尼器包括圆环、喉箍、毛毡及螺栓，该圆环安装于所述外筒的端部，并套设在内筒上，所述圆环的外表面套设有喉箍，内表面安装有与内筒接触的毛毡，通过旋拧喉箍上的螺栓来调节喉箍的松紧，进而调节所述圆环对内筒的压紧力，实现阻尼调节。

所述圆环分为相同的两部分，每部分均包括底板及半环，该底板安装于所述外筒的端面，所述半环的外表面设有与喉箍连接的外部环形卡槽，内表面设有容置所述毛毡的内部环形卡槽。

所述内筒的两端分别由外筒的两端露出，所述短弹簧套设于内筒露出的部分，该短弹簧的两端分别与所述内、外筒端部抵接。

所述足垫足垫上表面安装有连接套筒，所述球铰连接头定位于连接套筒内部，所述支腿主支柱的另一端为球状结构，穿入连接套筒内部，与球铰连接头相连。

所述连接套筒内还容置有缓冲元件，该缓冲元件位于所述球铰连接头与足垫之间。

所述内筒为两端开口的中空结构，中间为圆柱体，两端为长方体，两端的所述长方体的侧面分别与上、下框架相连，并分别与上、下端盖连接；所述短弹簧抵接于长方体上。

所述外筒为两端开口的八面体套筒结构，即外筒的端面为四角倒角的方形，倒角对应的面的面积小于方形四边对应的面的面积，所述外筒内部圆柱表面与内筒配合形成直线副；所述钢丝绳减震器B的一端与载荷箱连接，另一端与外筒外表面中面积小的表面相连。

所述载荷箱为长方体，由六块中心板围成，该长方体的各个角均设有用于连接相邻中心板的V形块；所述钢丝绳减震器A的一端通过连接支块与上框架或下框架连接，另一端通过V形块与载荷箱相连。

所述上框架与下框架结构相同，均由四根工字梁围成方形，相邻工字梁之间通过角铁连接，方形的上、下框架的四角均通过所述着陆腿连接，形成外框架。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明在着陆过程中形成多重隔冲机制，提高了隔冲效率，并且可以重复使用，适用于地球、月球、火星以及小行得等行星的着陆和探测活动中。

2.本发明在着陆过程中可有效避免装置发生侧翻。

3.本发明着陆腿内部的非线性长弹簧使着陆过程更加平稳，使载荷箱内部放置的有效载荷处的冲击加速度达到最小。

4.本发明的内、外筒之间通过可调阻尼器连接，可使毛毡相对于内筒的阻尼大小进行调节。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明着陆退的结构剖视图；

图3为图2中可调阻尼器的立体结构示意图；

图4为图3中圆环的结构示意图；

图5为图2中内筒的立体结构示意图；

图6为图2中外筒的立体结构示意图；

图7为本发明V形块的立体结构示意图；

其中：1为上框架，2为着陆腿，201为上端盖，202为内筒，2021为圆柱体，2022为长方体，2023为侧面，203为外筒，204为单向阻尼器，205为长弹簧，206为活塞杆，207为支腿主支柱，208为螺栓，209为毛毡，210为喉箍，211为圆环，2111为底板，2112为半环，2113为外部环形卡槽，2114为内部环形卡槽，212为短弹簧，213为足垫，214为球铰连接头，215为金属橡胶块，216为连接套筒，217为下端盖，3为钢丝绳减震器A，4为V形块，5为钢丝绳减震器B，6为角铁，7为中心板，8为下框架，9为连接支块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括上框架1、着陆腿2、钢丝绳减震器A3、钢丝绳减震器B5、载荷箱及下框架8，其中上框架1与下框架8之间通过多个着陆腿2相连，该上、下框架1、8与各着陆腿2围成的空间内容置有载荷箱，载荷箱里装有效载荷。着陆腿2包括上端盖201、内筒202、外筒203、单向阻尼器204、长弹簧205、支腿主支柱207、可调阻尼器、短弹簧212、足垫213、球铰连接头214及下端盖217，该内筒202的上下两端分别与上、下框架1、8相连，且内筒202的上下两端分别通过螺钉连接有上端盖201及下端盖217，内筒202内容置有单向阻尼器204及长弹簧205，该单向阻尼器204通过销钉与上端盖201的下表面连接，单向阻尼器204的活塞杆206与插入内筒202的支腿主支柱207螺纹连接，单向阻尼器204及单向阻尼器204的活塞杆206外部套设有长弹簧205，长弹簧205的两端分别与上端盖201及支腿主支柱207抵接。外筒203可相对移动地套设于内筒202外部，该外筒203的一端或两端通过可调阻尼器与内筒202连接(本实施例是在外筒203的两端分别通过可调阻尼器与内筒202连接)，外筒203的一端或两端与内筒202对应的端部之间套设有短弹簧212(本实施例是在外筒203的两端与内筒202的两端之间各套设一短弹簧212)。支腿主支柱207的一端可相对移动地插入内筒202内，并与活塞杆206焊接成一体，该支腿主支柱207的另一端与安装于足垫213上的球铰连接头214连接。载荷箱与上、下框架1、8之间均通过钢丝绳减震器A3连接，与各着陆腿2的外筒203之间通过钢丝绳减震器B5相连。本实施例的长弹簧205为非线性长弹簧，短弹簧212为线性金属短弹簧。

上框架1与下框架8结构相同，均由四根铝合金材料制成的工字梁围成方形(本实施例为正方形)，相邻工字梁之间通过螺钉和铝合金材料制成的角铁6固接，正方形的上、下框架1、8的四角均通过着陆腿2连接，形成外框架。

如图1、图2及图5所示，内筒202为两端开口的中空结构，中间为圆柱体2021，两端为长方体2022(本实施例为正方体)，内筒202的内壁为圆柱体结构，两端的长方体202的侧面2023分别通过角铁6与上、下框架1、8固接，并分别与上、下端盖201、217连接。内筒202的两端分别由外筒203的两端露出，短弹簧212套设于内筒202露出的部分，该短弹簧212的一端分别与内、外筒202、203端部的长方体2022上，由该长方体2022限制短弹簧212的位置。

如图1、图2及图6所示，本实施例的外筒203为两端开口的八面体套筒结构，即外筒203的端面为四角倒角的方形，倒角对应的面的面积小于方形四边对应的面的面积。钢丝绳减震器B5的一端与载荷箱连接，另一端与外筒203外表面中面积小的表面通过螺栓相连。

载荷箱为长方体(本实施例为正方体)，由六块中心板7围成，本实施例的中心板7采用蜂窝夹层板或采用铝合金板，可结合具体质量要求和承载要求确定；长方体的各个角均设有用于连接相邻中心板7的V形块4。钢丝绳减震器A3的一端通过连接支块9与上框架1或下框架8固接，另一端通过V形块4与载荷箱相连。本实施例载荷箱四个侧面中，每个侧面的上部通过一个钢丝绳减震器B5与上框架1连接，每个侧面的下部通过两个钢丝绳减震器A3与下框架8连接；这样，本实施例的载荷箱上安装了20个V形块4，V形块4采用铝合金材料制成，通过螺栓与中心板7连接。如图7所示，本实施例的V形块4由三块分别开设有螺栓孔的方板组成，其中两块方板相互垂直，分别与载荷箱相邻的两个面用螺栓连接，中间的方板倾斜设置，用于与钢丝绳减震器A3连接。本实施例的连接支块9端面为等腰直角三角形，两直角边分别与上框架1或下框架8通过螺栓固接，斜边用于与钢丝绳减震器A3固接。

如图1～4所示，本实施例的可调阻尼器包括圆环211、喉箍210、毛毡209及螺栓208，该圆环211安装于外筒203的端部，并套设在内筒202露出外筒203的部位，圆环211的外表面套设有喉箍210，内表面安装有与内筒202接触的毛毡209，通过旋拧喉箍210上的螺栓208来调节喉箍210的松紧，进而调节圆环211对毛毡210的压紧力，使毛毡210相对于内筒203的压紧力大小发生变化，实现阻尼调节。本实施例的圆环211不是一个完整的连续体，而是分为相同的两部分，每部分均包括底板2111及半环2112，该底板2111通过螺钉固接于外筒203的端面，半环2112的外表面设有与喉箍210连接的外部环形卡槽2113，内表面设有容置毛毡209的内部环形卡槽2114。本实施例的毛毡209浸有阻尼脂，毛毡209的外圈与半环2112内表面设置的内部环形卡槽2114接触，毛毡209的内圈与内筒202接触。

如图1、图2所示，本实施例足垫213的外表面为锥面，内部凹陷，该足垫213内部上表面的中间位置通过螺栓固接有连接套筒216；球铰连接头214定位于连接套筒216内部，支腿主支柱207的另一端为球状结构，穿入连接套筒216内部，与球铰连接头214相连。连接套筒216内还容置有缓冲元件，缓冲元件可为弹簧阻尼元件或橡胶器件等能够起到缓冲功能的部件，本实施例的缓冲元件为金属橡胶块215，缓冲元件的材料还可以是橡胶、聚氨酯等可重复使用的缓冲材料；连接套筒216将球铰连接头214及金属橡胶块215包裹在内，该金属橡胶块215位于球铰连接头214与足垫213之间，缓和了足垫213接触地面时受到的巨大冲击，提高了本发明的隔冲效率，同时对足垫213起到保护作用。

本发明的钢丝绳减震器A3为市购产品，购置于保定市安立静减振技术有限公司，型号为CR6-200；钢丝绳减震器B5为市购产品，购置于保定市安立静减振技术有限公司，型号为GS2-28。本发明的单向阻尼器204为市购产品，购置于德国STABILUS公司的ACE品牌产品，HB系列M型液压阻尼器。

本发明的上端盖201、内筒202、外筒203、活塞杆206、支腿主支柱207、连接套筒206、足垫213、喉箍210及圆环211均采用不锈钢制成。

本发明的工作原理为：

当本发明落地时，分别经过足垫213、金属橡胶块215、单向阻尼器204、非线性长弹簧、可调阻尼器、线性金属短弹簧以及CR型钢丝绳减震器和GS型钢丝绳减震器等隔冲减震器件，这些弹性元件通过变形使中心板207内放置的有效载荷受到的冲击达到最小，从而实现多级隔冲。具体为：

当本发明着陆后，足垫213首先接触地面，冲击载荷经由足垫213传至金属橡胶块215处，使金属橡胶块215产生变形实现一级隔冲；然后，冲击载荷随支腿主支柱207传至单向阻尼器204与非线性长弹簧处，单向阻尼器204在压缩过程无阻尼，使得支腿主支柱207结构能够迅速对非线性长弹簧进行压缩做功，动能与重力势能转化为弹性势能予以储存；当非线性长弹簧达到最大压缩量，开始恢复原长，此时单向阻尼器204有阻尼，使得非线性长弹簧缓慢伸长，主体结构(即内筒202、外筒203、上框架1、下框架8及载荷箱)缓慢上升，避免本发明发生侧翻，同时实现姿态恢复，形成二级隔冲；此后，冲击传到可调阻尼器和线性金属短弹簧处，可调阻尼器通过螺栓208调节自身阻尼，使冲击力降到理想值，形成三级隔冲；最后冲击经固定在外筒203上的GS型钢丝绳减震器及CR型钢丝绳减震器传递至中心板7处，形成四级隔冲。CR型钢丝绳减震器可同时消耗水平和竖直方向冲击载荷，GS型钢丝绳减震器主要用于当本发明在极端恶劣着陆工况下发生侧摔后对载荷箱进行防护。通过以上四级隔冲使载荷箱内的有效载荷受到的冲击力降至最小，有效提高了隔冲效率。

Claims (10)

1.一种可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：包括上框架（1）、着陆腿（2）、钢丝绳减震器A（3）、钢丝绳减震器B（5）、载荷箱及下框架（8），其中上框架（1）与下框架（8）之间通过多个着陆腿（2）相连，该上、下框架（1、8）与各着陆腿（2）围成的空间内容置有载荷箱；所述着陆腿（2）包括上端盖（201）、内筒（202）、外筒（203）、单向阻尼器（204）、长弹簧（205）、支腿主支柱（207）、可调阻尼器、短弹簧（212）、足垫（213）、球铰连接头（214）及下端盖（217），该内筒（202）的上下两端分别与上、下框架（1、8）相连，且内筒（202）的上下两端分别连接有上端盖（201）及下端盖（217），所述内筒（202）内容置有单向阻尼器（204）及长弹簧（205），该单向阻尼器（204）安装于上端盖（201）上，单向阻尼器（204）的活塞杆（206）与插入内筒（202）的支腿主支柱（207）相连，该单向阻尼器（204）及单向阻尼器（204）的活塞杆（206）外部套设有长弹簧（205），所述长弹簧（205）的两端分别与上端盖（201）及支腿主支柱（207）抵接；所述外筒（203）可相对移动地套设于内筒（202）外部，该外筒（203）的一端或两端通过所述可调阻尼器与内筒（202）连接，所述外筒（203）的一端或两端与内筒（202）对应的端部之间套设有短弹簧（212）；所述支腿主支柱（207）的一端可相对移动地插入内筒（202）内，并与活塞杆（206）相连，该支腿主支柱（207）的另一端与安装于足垫（213）上的球铰连接头（214）连接；所述载荷箱与上、下框架（1、8）之间均通过钢丝绳减震器A（3）连接，与各所述着陆腿（2）的外筒（203）之间通过钢丝绳减震器B（5）相连。

2.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述可调阻尼器包括圆环（211）、喉箍（210）、毛毡（209）及螺栓（208），该圆环（211）安装于所述外筒（203）的端部，并套设在内筒（202）上，所述圆环（211）的外表面套设有喉箍（210），内表面安装有与内筒（202）接触的毛毡（209），通过旋拧喉箍（210）上的螺栓（208）来调节喉箍（210）的松紧，进而调节所述圆环（211）对内筒（203）的压紧力，实现阻尼调节。

3.根据权利要求2所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述圆环（211）分为相同的两部分，每部分均包括底板（2111）及半环（2112），该底板（2111）安装于所述外筒（203）的端面，所述半环（2112）的外表面设有与喉箍（210）连接的外部环形卡槽（2113），内表面设有容置所述毛毡（209）的内部环形卡槽（2114）。

4.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述内筒（202）的两端分别由外筒（203）的两端露出，所述短弹簧（212）套设于内筒（202）露出的部分，该短弹簧（212）的两端分别与所述内、外筒（202、203）端部抵接。

5.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述足垫（213）上表面安装有连接套筒（216），所述球铰连接头（214）定位于连接套筒（216）内部，所述支腿主支柱（207）的另一端为球状结构，穿入连接套筒（216）内部，与球铰连接头（214）相连。

6.根据权利要求5所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述连接套筒（216）内还容置有缓冲元件，该缓冲元件位于所述球铰连接头（214）与足垫（213）之间。

7.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述内筒（202）为两端开口的中空结构，中间为圆柱体（2021），两端为长方体（2022），两端的所述长方体（2022）的侧面（2023）分别与上、下框架（1、8）相连，并分别与上、下端盖（201、217）连接；所述短弹簧（212）抵接于长方体（2022）上。

8.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述外筒（203）为两端开口的八面体套筒结构，即外筒（203）的端面为四角倒角的方形，倒角对应的面的面积小于方形四边对应的面的面积，所述外筒（203）内部圆柱表面与内筒（202）配合形成直线副；所述钢丝绳减震器B（5）的一端与载荷箱连接，另一端与外筒（203）外表面中面积小的表面相连。

9.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述载荷箱为长方体，由六块中心板（7）围成，该长方体的各个角均设有用于连接相邻中心板（7）的V形块（4）；所述钢丝绳减震器A（3）的一端通过连接支块（9）与上框架（1）或下框架（8）连接，另一端通过V形块（4）与载荷箱相连。

10.根据权利要求1所述可重复使用的腿式着陆缓冲装置，其特征在于：所述上框架（1）与下框架（8）结构相同，均由四根工字梁围成方形，相邻工字梁之间通过角铁（6）连接，方形的上、下框架（1、8）的四角均通过所述着陆腿（2）连接，形成外框架。