CN111114845B - 一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，属于深空探测技术领域，特别是涉及一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置。解决了探测器如何在情况复杂的小行星表面安全着陆的问题。它包括直伸式着陆腿、伺服电机控制器和小行星探测器主体外壳。它主要用于小行星探测器的着陆缓冲。

Description

一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，特别是涉及一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置。

背景技术

随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为当前地外天体探测的热点。探测器在小行星表面的安全着陆，即探测器在星表稳定姿态并停留一段时间，是实施包括对小行星物质采样返回在内的多项科学探测任务的重要基础。

目前，世界各国对探测器在小行星表面软着陆的实施方式多为“一触即走”的方式，如日本的隼鸟号探测器与与美国的欧西里斯号探测器，此种方式中探测器在小行星表面进行短暂接触仅停留几秒钟，并未实现真正意义上的着陆，难以实现具有较大科研价值的为附着和采样返回。如何让探测器在微重力环境下快速稳定，并在情况复杂的小行星表面安全着陆成为了各国在深空探测领域的共同难题，我国至今未曾开展过探测器在小行星表面着陆的科学任务，同时对于此项技术的研究也几乎属于空白。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，它包括直伸式着陆腿、伺服电机控制器和小行星探测器主体外壳，所述直伸式着陆腿包括上腿杆、电磁阻尼单元、下腿杆、足垫和压力传感器，所述上腿杆为空心结构，所述下腿杆同轴安装在上腿杆内部，所述上腿杆与下腿杆沿公共轴线进行相对滑动，所述足垫与腿杆底端相连，所述足垫底面设置有压力传感器，所述电磁阻尼单元包括阻尼电机、减速器、减速器安装架和联动机构，所述阻尼电机与减速器同轴安装，所述减速器通过减速器安装架固定安装在上腿杆外壁上，所述联动机构与减速器输出轴、上腿杆和下腿杆分别连接，所述直伸式着陆腿数量为3个，沿小行星探测器主体外壳底面圆周方向均匀布置，并通过上腿杆与小行星探测器主体外壳底面固定连接，所述压力传感器和阻尼电机分别通过线路与伺服电机控制器通讯连接。

更进一步的，所述上腿杆外壁上设有贯穿至内壁的槽孔。

更进一步的，所述减速器通过减速器安装架固定安装在上腿杆外壁槽孔上端，所述减速器输出轴与上腿杆中心轴垂直。

更进一步的，所述联动机构包括传动绳索、从带轮安装架、从带轮、绳索夹具和主带轮，所述主带轮固定安装在减速器的输出轴上，所述从带轮通过从带轮安装架固定安装在上腿杆外壁槽孔下端，所述从带轮中性面与主带轮中性面共面，所述传动绳索分别缠绕在主带轮和从带轮上，所述绳索夹具下端穿过上腿杆的孔槽与下腿杆外壁固定连接，所述绳索夹具上端与传动绳索相连。

更进一步的，所述直伸式着陆腿还包括外摩擦层和内摩擦层，所述外摩擦层固定安装在下腿杆外壁上，所述内摩擦层固定安装在上腿杆内壁上，所述外摩擦层与内摩擦层接触。

更进一步的，所述上腿杆和下腿杆均为圆筒状结构。

更进一步的，所述压力传感器为薄膜式压力传感器。

更进一步的，所述伺服电机控制器固定于小行星探测器主体外壳内部。

更进一步的，所述足垫通过球角副与腿杆底端相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单组成部件少，对于深空探测领域来说对结构的简化是增加装置可靠性的关键。本发明基于电磁阻尼吸能原理，缓冲吸能效率高、对小行星表面不确知地形地质环境的适应性强、缓冲过程可智能控制，能可靠地实现探测器在小行星微重力环境下的快速稳定，同时通过三条着陆腿与小行星表面进行三点接触，对星表不确知地形地质环境的适应性强。本发明用于吸收着陆冲击能量的阻尼电机可复位，因此该着陆缓冲装置可多次重复使用。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置结构示意图

图2为本发明所述的直伸式着陆腿原理图

图3为本发明所述的电磁阻尼单元原理图

1:直伸式着陆腿，2:伺服电机控制器，3:小行星探测器主体外壳，1-1:上腿杆，1-2:电磁阻尼单元，1-3:下腿杆，1-4:足垫，1-5:压力传感器，1-6:外摩擦层，1-7:内摩擦层，1-2-1:阻尼电机，1-2-2:减速器，1-2-3:减速器安装架，1-2-4:传动绳索，1-2-5:从带轮安装架，1-2-6:从带轮，1-2-7:绳索夹具，1-2-8:主带轮

具体实施方式

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、完整地阐述。

参见图1-3说明本实施方式，一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，它包括直伸式着陆腿1、伺服电机控制器2和小行星探测器主体外壳3，所述直伸式着陆腿1包括上腿杆1-1、电磁阻尼单元1-2、下腿杆1-3、足垫1-4和压力传感器1-5，所述上腿杆1-1为空心结构，所述下腿杆1-3同轴安装在上腿杆1-1内部，所述上腿杆1-1与下腿杆1-3沿公共轴线进行相对滑动，所述足垫1-4与腿杆1-3底端相连，所述足垫1-4底面设置有压力传感器1-5，所述电磁阻尼单元1-2包括阻尼电机1-2-1、减速器1-2-2、减速器安装架1-2-3和联动机构，所述阻尼电机1-2-1与减速器1-2-2同轴安装，所述减速器1-2-2通过减速器安装架1-2-3固定安装在上腿杆1-1外壁上，所述联动机构与减速器1-2-2输出轴、上腿杆1-1和下腿杆1-3分别连接，所述直伸式着陆腿1数量为3个，沿小行星探测器主体外壳3底面圆周方向均匀布置，并通过上腿杆1-1与小行星探测器主体外壳3底面固定连接，所述压力传感器1-5和阻尼电机1-2-1分别通过线路与伺服电机控制器2通讯连接。

本发明具备快速可靠缓冲探测器在小行星表面着陆时冲击能量的能力，具体作用过程按工作顺序可分为三种工作模式，分别为：检测模式、阻尼模式、终止模式。

首先本发明工作在检测模式，即当探测器相对于小行星以一定的垂直速度与水平速度着陆时，探测器上的姿控发动机将给探测器提供指向星表的较小推力并维持该推力一段时间，同时本发明的着陆缓冲装置中的一条或某几条直伸式着陆腿1将与星表发生接触，发生接触的着陆腿上1-5:压力传感器会采集压力信号并传送到伺服电机控制器2，在探测器残余速度与星表反作用力的共同作用下该着陆腿的上腿杆1-1与下腿杆1-3将沿公共轴线相对滑动，该滑动通过联动机构将带动阻尼电机1-2-1旋转。

随后本发明进入阻尼模式，此时伺服电机控制器2对收到的信号进行分析处理并根据结果对该条直伸式着陆腿1上的电阻尼机1-2-1绕组中通入三相对称交流电流以使电机产生与旋转方向相反的电磁转矩，从而产生反向推力，伺服电机控制器2通过协调控制三条直伸式着陆腿1上的反向推力以保证探测器做匀减速运动，对每一个阻尼电机都给定一个速度阈值并通过阻尼电机1-2-1上的霍尔传感器实时计算电机转速。

最后本发明开启阻尼终止模式，即当某条着陆腿上的阻尼电机1-2-1转速达到阈值时，停止对该电机供电，在整个着陆缓冲装置的缓冲下探测器的残余能量被完全消耗掉，探测器在小行星表面实现着陆并姿态稳定，此时探测器姿控发动机的推力消失。

本发明除上述三种工作模式外还具备还原模式，此模式用于装置的多次重复利用，即当探测器完成对星表某一探测区域的所有科学探测任务后可前往其它探测区域继续进行科学探测；此时探测器起飞脱离星表，伺服电机控制器2给每个直伸式着陆腿1上的阻尼电机1-2-1通入交流电流使每个阻尼电机1-2-1都各自反向旋转同样的周数以复原到初始位置，为下次探测器在小行星表面的着陆做准备。

优选的，所述上腿杆1-1外壁上设有贯穿至内壁的槽孔；所述减速器1-2-2通过减速器安装架1-2-3固定安装在上腿杆1-1外壁槽孔上端，所述减速器1-2-2输出轴与上腿杆1-1中心轴垂直；所述联动机构包括传动绳索1-2-4、从带轮安装架1-2-5、从带轮1-2-6、绳索夹具1-2-7和主带轮1-2-8，所述主带轮1-2-8固定安装在减速器1-2-2的输出轴上，所述从带轮1-2-6通过从带轮安装架1-2-5固定安装在上腿杆1-1外壁槽孔下端，所述从带轮1-2-6中性面与主带轮1-2-8中性面共面，所述传动绳索1-2-4分别缠绕在主带轮1-2-8和从带轮1-2-6上，所述绳索夹具1-2-7下端穿过上腿杆1-1的孔槽与下腿杆1-3外壁固定连接，所述绳索夹具1-2-7上端与传动绳索1-2-4相连，此种联动形式通过带轮及绳索将减速器1-2-2输出轴、上腿杆1-1和下腿杆1-3相连，上腿杆1-1与下腿杆1-3沿公共轴线相对滑动时，下腿杆1-3通过绳索夹具1-2-7拉动传动绳索1-2-4带动从带轮1-2-6和主带轮1-2-8旋转，主带轮1-2-8与减速器1-2-2输出轴相连，从而带动阻尼电机1-2-1旋转。直伸式着陆腿1还包括外摩擦层1-6和内摩擦层1-7，所述外摩擦层1-6固定安装在下腿杆1-3外壁上，所述内摩擦层1-7固定安装在上腿杆1-1内壁上，所述外摩擦层1-6与内摩擦层1-7接触，通过在直伸式着陆腿1上设置摩擦层用于增加上腿杆1-1与下腿杆1-3沿公共轴线相对滑动时的摩擦力，在着陆缓冲装置工作时直伸式着陆腿1上外摩擦层1-6与内摩擦层1-7之间的摩擦力将消耗探测器在小行星表面着陆时的残余冲击能量。所述上腿杆1-1和下腿杆1-3均为圆筒状结构，圆筒状结构有利于直伸式着陆腿1的结构稳定，所述压力传感器1-5为薄膜式压力传感器，薄膜式压力传感器可更好的帖附于足垫1-4底部并反馈电压信号，所述伺服电机控制器2固定于小行星探测器主体外壳3内部，伺服电机控制器2对整个着陆过程的控制。所述足垫1-4通过球角副与腿杆1-3底端相连，保证了足垫1-4与腿杆1-3之间的自由度。

以上对本发明所提供的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：它包括直伸式着陆腿(1)、伺服电机控制器(2)和小行星探测器主体外壳(3)，所述直伸式着陆腿(1)包括上腿杆(1-1)、电磁阻尼单元(1-2)、下腿杆(1-3)、足垫(1-4)和压力传感器(1-5)，所述上腿杆(1-1)为空心结构，所述下腿杆(1-3)同轴安装在上腿杆(1-1)内部，所述上腿杆(1-1)与下腿杆(1-3)沿公共轴线进行相对滑动，所述足垫(1-4)与腿杆(1-3)底端相连，所述足垫(1-4)底面设置有压力传感器(1-5)，所述电磁阻尼单元(1-2)包括阻尼电机(1-2-1)、减速器(1-2-2)、减速器安装架(1-2-3)和联动机构，所述阻尼电机(1-2-1)与减速器(1-2-2)同轴安装，所述减速器(1-2-2)通过减速器安装架(1-2-3)固定安装在上腿杆(1-1)外壁上，所述联动机构与减速器(1-2-2)输出轴、上腿杆(1-1)和下腿杆(1-3)分别连接，所述直伸式着陆腿(1)数量为3个，沿小行星探测器主体外壳(3)底面圆周方向均匀布置，并通过上腿杆(1-1)与小行星探测器主体外壳(3)底面固定连接，所述压力传感器(1-5)和阻尼电机(1-2-1)分别通过线路与伺服电机控制器(2)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述上腿杆(1-1)外壁上设有贯穿至内壁的槽孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述减速器(1-2-2)通过减速器安装架(1-2-3)固定安装在上腿杆(1-1)外壁槽孔上端，所述减速器(1-2-2)输出轴与上腿杆(1-1)中心轴垂直。

4.根据权利要求3所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述联动机构包括传动绳索(1-2-4)、从带轮安装架(1-2-5)、从带轮(1-2-6)、绳索夹具(1-2-7)和主带轮(1-2-8)，所述主带轮(1-2-8)固定安装在减速器(1-2-2)的输出轴上，所述从带轮(1-2-6)通过从带轮安装架(1-2-5)固定安装在上腿杆(1-1)外壁槽孔下端，所述从带轮(1-2-6)中性面与主带轮(1-2-8)中性面共面，所述传动绳索(1-2-4)分别缠绕在主带轮(1-2-8)和从带轮(1-2-6)上，所述绳索夹具(1-2-7)下端穿过上腿杆(1-1)的孔槽与下腿杆(1-3)外壁固定连接，所述绳索夹具(1-2-7)上端与传动绳索(1-2-4)相连。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述直伸式着陆腿(1)还包括外摩擦层(1-6)和内摩擦层(1-7)，所述外摩擦层(1-6)固定安装在下腿杆(1-3)外壁上，所述内摩擦层(1-7)固定安装在上腿杆(1-1)内壁上，所述外摩擦层(1-6)与内摩擦层(1-7)接触。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述上腿杆(1-1)和下腿杆(1-3)均为圆筒状结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述压力传感器(1-5)为薄膜式压力传感器。

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述伺服电机控制器(2)固定于小行星探测器主体外壳(3)内部。

9.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼的腿式小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述足垫(1-4)通过球角副与腿杆(1-3)底端相连。

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