CN111114847B - 一种基于电磁与金属橡胶阻尼的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与金属橡胶阻尼的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与金属橡胶阻尼的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。它包括折叠着陆腿、伺服控制器、小行星探测器主体外壳和解锁机构。它主要用于小行星探测器的着陆缓冲。

Description

一种基于电磁与金属橡胶阻尼的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与金属橡胶阻尼的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，提出一种基于电磁与金属橡胶阻尼的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：一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，它包括折叠着陆腿、伺服控制器、小行星探测器主体外壳和解锁机构，所述折叠着陆腿包括基座、关节电磁阻尼单元、腿杆和弹性足垫单元，所述腿杆的顶端与基座形成转动副连接，所述关节电磁阻尼单元包括双输出轴阻尼电机和连接组件，所述双输出轴阻尼电机与基座固定连接，所述双输出轴阻尼电机的输出轴通过连接组件与腿杆顶端连接，所述双输出轴阻尼电机的输出轴为腿杆顶端与基座形成转动副的旋转轴，所述弹性足垫单元包括金属橡胶足垫和球副固件，所述球副固件与腿杆底端形成球角副连接，所述金属橡胶足垫固定连接在球副固件的下端面上，所述折叠着陆腿数量为三个，沿小行星探测器主体外壳侧面下端圆周方向均匀布置，并通过基座与小行星探测器主体外壳侧面固定连接，所述解锁机构固定在小行星探测器主体外壳三个折叠着陆腿所在侧面，所述腿杆围绕双输出轴阻尼电机的输出轴旋转并与解锁机构连接，所述解锁机构控制折叠着陆腿的锁定与解锁，所述双输出轴阻尼电机和解锁机构分别通过线路与伺服控制器通讯连接。

更进一步的，所述连接组件包括电机轴固定板、腿杆连接件和电机固定端盖，所述双输出轴阻尼电机通过电机固定端盖与基座固定连接，所述双输出轴阻尼电机的输出轴与电机轴固定板固定连接，所述电机轴固定板与腿杆连接件固定连接，所述腿杆连接件与腿杆顶端固定连接。

更进一步的，所述球副固件包括球副上固件和球副下固件，所述球副上固件与球副下固件固定连接并共同与腿杆底端形成球角副，所述金属橡胶足垫固定连接在球副下固件的下端面。

更进一步的，所述伺服控制器固定于小行星探测器主体外壳内部。

更进一步的，所述解锁机构为火工解锁机构。

更进一步的，所述腿杆外表面设置有圆孔结构。

更进一步的，所述火工解锁机构包括锁定基座、外塞、电点火套、锁定销和火药，所述锁定基座固定在小行星探测器主体外壳折叠着陆腿所在侧面，所述外塞安装在锁定基座末端的圆孔结构内，所述锁定销安装在腿杆外表面设置的圆孔结构内，所述外塞通过电点火套与锁定销连接，所述外塞、电点火套和锁定销之间形成有空腔，所述火药填满外塞、电点火套和锁定销之间形成的空腔内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为单杆可折叠腿式结构，其结构简单，可靠性高，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与金属橡胶阻尼复合吸能原理，缓冲环节多、缓冲效率高，且具备可控阻尼环节，从而缓冲过程可实时调控，能实现探测器在小行星微引力环境下的快速稳定。本发明采用腿式结构与小行表面形成三点接触，其对着陆点地形地貌的要求较低，从而减少对着落点选定的难度以及着陆过程中对探测器姿态控制精度的要求。本发明的阻尼电机与金属橡胶阻尼具备自主复位能力，因此本发明可多次使用，从而使探测器具备了远距离多点探测的能力。本发明可折叠且直接依靠阻尼电机实现，减小了发射尺寸并不需要专门的折叠驱动部件，展开后可形成较大的着陆包络面积，增加了探测器软着陆的安全裕度。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置结构示意图

图2为本发明所述的折叠着陆腿结构示意图

图3为本发明所述的关节电磁阻尼单元结构示意图

图4为本发明所述的弹性足垫单元结构示意图

图5为本发明所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置折叠状态示意图

图6为本发明所述的火工解锁机构结构示意图

1:折叠着陆腿，2:伺服控制器，3:小行星探测器主体外壳，4:火工解锁机构，1-1:基座， 1-2:关节电磁阻尼单元，1-3:腿杆，1-4:弹性足垫单元，1-2-1:双输出轴阻尼电机，1-2-2: 电机轴固定板，1-2-3:腿杆连接件，1-2-4:电机固定端盖，1-4-1:球副上固件，1-4-2:球副下固件，1-4-3:金属橡胶足垫，4-1:锁定基座，4-2:外塞，4-3:电点火套，4-4:锁定销，4-5:火药

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1-6说明本实施方式，一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，它包括折叠着陆腿1、伺服控制器2、小行星探测器主体外壳3和解锁机构，所述折叠着陆腿1包括基座1-1、关节电磁阻尼单元1-2、腿杆1-3和弹性足垫单元1-4，所述腿杆1-3的顶端与基座1-1形成转动副连接，所述关节电磁阻尼单元1-2包括双输出轴阻尼电机1-2-1和连接组件，所述双输出轴阻尼电机1-2-1与基座1-1固定连接，所述双输出轴阻尼电机1-2-1的输出轴通过连接组件与腿杆1-3顶端连接，所述双输出轴阻尼电机 1-2-1的输出轴为腿杆1-3顶端与基座1-1形成转动副的旋转轴，所述弹性足垫单元1-4 包括金属橡胶足垫1-4-3和球副固件，所述球副固件与腿杆1-3底端形成球角副连接，所述金属橡胶足垫1-4-3固定连接在球副固件的下端面上，所述折叠着陆腿1数量为三个，沿小行星探测器主体外壳3侧面下端圆周方向均匀布置，并通过基座1-1与小行星探测器主体外壳3侧面固定连接，所述解锁机构固定在小行星探测器主体外壳3三个折叠着陆腿 1所在侧面，所述腿杆1-3围绕双输出轴阻尼电机1-2-1的输出轴旋转并与解锁机构连接，所述解锁机构控制折叠着陆腿1的锁定与解锁，所述双输出轴阻尼电机1-2-1和解锁机构分别通过线路与伺服控制器2通讯连接。

本发明实现探测器在小行星表面安全着陆并快速稳定。按工作过程可分为五种工作模式，分别为：解锁模式、展开模式、检测模式、阻尼模式和终止模式。

首先本发明工作在解锁模式，即探测器在目标小行星上方准备着陆时，伺服控制器2 控制解锁机构与三个折叠着陆腿1断开连接，此时本发明的折叠着陆腿1处于解锁状态。

然后本发明工作在展开模式，即三个折叠着陆腿1在均在双输出轴阻尼电机1-2-1的控制下展开形成预定状态，形成预期的着陆包络尺寸。

随后本发明工作在检测模式，当三个折叠着陆腿1均展开完成后，探测器将相对于小行星以一定的垂直速度与水平速度着陆，此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，同时本发明的一条或多条折叠着陆腿1将与星表发生接触，在探测器残余速度与星表冲击力的共同作用下该着陆腿的金属橡胶足垫1-4-3 将产生压缩，并且腿杆1-3发生转动从而带动关节电磁阻尼单元1-2内部的双输出轴阻尼电机1-2-1旋转，此时双输出轴阻尼电机1-2-1自带的霍尔传感器将采集双输出轴阻尼电机1-2-1电机轴的角速度信号并传送给伺服控制器2。

紧接着本发明进入阻尼模式，此时伺服控制器2对收到的信号进行分析处理并根据结果对折叠着陆腿1上的双输出轴阻尼电机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，同时该着陆腿的金属橡胶足垫1-4-3 因压缩而产生较大的弹性变形并在作用力减小的方向进行相应的弹性恢复，而金属橡胶弹性恢复阶段的力-变形量曲线会滞后于弹性变形阶段的力-变形量曲线，因此金属橡胶在弹性变形至弹性恢复的一个循环内将消耗一定的能量，此时双输出轴阻尼电机1-2-1通过电磁阻尼消耗主要的探测器冲击能量，金属橡胶足垫1-4-3通过多次弹性变形至弹性恢复的过程辅助吸收探测器冲击能量，伺服控制器2通过协调控制三条着陆腿1上的每个双输出轴阻尼电机1-2-1的反向推力以保证探测器做匀减速运动，对每一个双输出轴阻尼电机1-2-1都给定一个速度阈值并通过电机上的霍尔传感器实时计算电机转速。

最后本发明进入阻尼终止模式，即当折叠着陆腿1上的双输出轴阻尼电机1-2-1转速达到阈值时，停止对双输出轴阻尼电机1-2-1供电，此时弹性足垫单元1-4将继续消耗残余能量，最终在本发明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，此时撤消探测器姿控发动机的推力。

本发明还具备还原模式，此模式用于该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，伺服控制器2给三条折叠着陆腿1上的所有双输出轴阻尼电机1-2-1通入交流电流使每个阻尼电机都各自反向旋转同样的周数以复原到初始位置，同时金属橡胶足垫1-4-3在无作用力的情况下可自主恢复原始尺寸与性能，从而为下次探测器在小行星表面的着陆做准备。

优选的，所述连接组件包括电机轴固定板1-2-2、腿杆连接件1-2-3和电机固定端盖 1-2-4，所述双输出轴阻尼电机1-2-1通过电机固定端盖1-2-4与基座1-1固定连接，所述双输出轴阻尼电机1-2-1的输出轴与电机轴固定板1-2-2固定连接，所述电机轴固定板 1-2-2与腿杆连接件1-2-3固定连接，所述腿杆连接件1-2-3与腿杆1-3顶端固定连接。所述球副固件包括球副上固件1-4-1和球副下固件1-4-2，所述球副上固件1-4-1与球副下固件1-4-2固定连接并共同与腿杆1-3底端形成球角副，所述金属橡胶足垫1-4-3固定连接在球副下固件1-4-2的下端面。所述伺服控制器2固定于小行星探测器主体外壳3内部，伺服控制器2用于整个着陆过程及折叠与展开操作的控制。所述解锁机构为火工解锁机构 4。所述腿杆1-3外表面设置有圆孔结构。所述火工解锁机构4包括锁定基座4-1、外塞 4-2、电点火套4-3、锁定销4-4和火药4-5，所述锁定基座4-1固定在小行星探测器主体外壳3折叠着陆腿1所在侧面，所述外塞4-2安装在锁定基座4-1末端的圆孔结构内，所述锁定销4-4安装在腿杆1-3外表面设置的圆孔结构内，所述外塞4-2通过电点火套4-3 与锁定销4-4连接，所述外塞4-2、电点火套4-3和锁定销4-4之间形成有空腔，所述火药4-5填满外塞4-2、电点火套4-3和锁定销4-4之间形成的空腔内。电点火套4-3用于点燃火药4-5以实现三条折叠着陆腿1折叠状态的解锁，当工作在解锁模式时，伺服控制器 2通过导线连接向火工解锁机构4的电点火套4-3通入电流，电点火套4-3通入电流后将点燃火药4-5使其发生爆炸，在火药爆炸的作用下，锁定销4-4与两端的外塞4-2断开连接，从而三条着陆腿1均与行星探测器主体外壳3的侧板断开连接，此时着陆缓冲装置处于折叠解锁状态。

以上对本发明所提供的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的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 (6)

1.一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：它包括折叠着陆腿(1)、伺服控制器(2)、小行星探测器主体外壳(3)和解锁机构，所述折叠着陆腿(1)包括基座(1-1)、关节电磁阻尼单元(1-2)、腿杆(1-3)和弹性足垫单元(1-4)，所述腿杆(1-3)的顶端与基座(1-1)形成转动副连接，所述关节电磁阻尼单元(1-2)包括双输出轴阻尼电机(1-2-1)和连接组件，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)与基座(1-1)固定连接，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)的输出轴通过连接组件与腿杆(1-3)顶端连接，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)的输出轴为腿杆(1-3)顶端与基座(1-1)形成转动副的旋转轴，所述弹性足垫单元(1-4)包括金属橡胶足垫(1-4-3)和球副固件，所述球副固件与腿杆(1-3)底端形成球角副连接，所述金属橡胶足垫(1-4-3)固定连接在球副固件的下端面上，所述折叠着陆腿(1)数量为三个，沿小行星探测器主体外壳(3)侧面下端圆周方向均匀布置，并通过基座(1-1)与小行星探测器主体外壳(3)侧面固定连接，所述解锁机构固定在小行星探测器主体外壳(3)三个折叠着陆腿(1)所在侧面，所述腿杆(1-3)围绕双输出轴阻尼电机(1-2-1)的输出轴旋转并与解锁机构连接，所述解锁机构控制折叠着陆腿(1)的锁定与解锁，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)和解锁机构分别通过线路与伺服控制器(2)通讯连接，所述连接组件包括电机轴固定板(1-2-2)、腿杆连接件(1-2-3)和电机固定端盖(1-2-4)，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)通过电机固定端盖(1-2-4)与基座(1-1)固定连接，所述双输出轴阻尼电机(1-2-1)的输出轴与电机轴固定板(1-2-2)固定连接，所述电机轴固定板(1-2-2)与腿杆连接件(1-2-3)固定连接，所述腿杆连接件(1-2-3)与腿杆(1-3)顶端固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述球副固件包括球副上固件(1-4-1)和球副下固件(1-4-2)，所述球副上固件(1-4-1)与球副下固件(1-4-2)固定连接并共同与腿杆(1-3)底端形成球角副，所述金属橡胶足垫(1-4-3)固定连接在球副下固件(1-4-2)的下端面。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述伺服控制器(2)固定于小行星探测器主体外壳(3)内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述解锁机构为火工解锁机构(4)。

5.根据权利要求4所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述腿杆(1-3)外表面设置有圆孔结构。

6.根据权利要求5所述的一种基于电磁与金属橡胶阻尼的小行星表面着陆缓冲装置，其特征在于：所述火工解锁机构(4)包括锁定基座(4-1)、外塞(4-2)、电点火套(4-3)、锁定销(4-4)和火药(4-5)，所述锁定基座(4-1)固定在小行星探测器主体外壳(3)折叠着陆腿(1)所在侧面，所述外塞(4-2)安装在锁定基座(4-1)末端的圆孔结构内，所述锁定销(4-4)安装在腿杆(1-3)外表面设置的圆孔结构内，所述外塞(4-2)通过电点火套(4-3)与锁定销(4-4)连接，所述外塞(4-2)、电点火套(4-3)和锁定销(4-4)之间形成有空腔，所述火药(4-5)填满外塞(4-2)、电点火套(4-3)和锁定销(4-4)之间形成的空腔内。

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