CN111693309A - 用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置及试验方法 - Google Patents

用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置及试验方法，属于空间探测领域，该装置包括台架系统、提升系统、水平框架系统、姿态控制系统和悬吊释放系统组成，提升系统固定于台架系统上，水平框架系统可在台架系统上竖直滑动并可带动姿态控制系统水平滑动，悬吊释放系统铰接于姿态控制系统；将试验着陆器固定到释放滑块上，释放滑块与主承力块锁死，调整释放时姿态，提升水平框架系统到预定高度，电机驱动释放滑块，整机自由落体并触地碰撞，高速摄像机记录该过程。本发明在做整机落震试验释放前避免了使用绳索悬吊造成的摇晃以及释放时姿态的不确定，因此可更大程度模拟着陆器触地前的本体姿态。

Description

用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置及试验方法
技术领域
本发明属于空间探测领域，具体涉及一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置及试验方法。
背景技术
近年来，我国在航天事业所取得的成就有目共睹，探月及深空探测对人类的发展具有重要意义。在研制阶段，用于对探月、探火以及小行星探测的着陆器进行地面环境下的整机落震试验是必不可少的环节，以通过实验获得软着陆装置的缓冲性能和整机落震姿态变化及可靠性，为后续设计改进提供数据支持；
然而，通过调研国内相关研究资料发现，目前我国传统的用于着陆器整机地面落震试验系统的试验装置一般由绳索悬挂、电磁吸盘或吊钩释放，这样虽然也可以模拟落震过程，但绳索的不稳定性导致释放瞬间很难准确确定着陆器的下落姿态，从而难以模拟着陆器在接近地面时姿态控制不理想时的着陆工况；
因此，有必要研制一种可以模拟着陆器不同的本体下落姿态、下落速度和本体-星表有相对夹角等全工况的新型悬吊释放装置。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足而提出的一种用于观测着陆器落震姿态变化的新型悬吊释放装置及试验方法，本发明的装置在做整机落震试验释放前避免了使用绳索悬吊造成的摇晃以及释放时姿态的不确定，因此可更大程度模拟着陆器触地前的本体姿态。
本发明是这样实现的：
一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，该装置包括台架系统、提升系统、水平框架系统、姿态控制系统和悬吊释放系统组成，其中的提升系统固定于台架系统上，水平框架系统可在台架系统上竖直滑动并可带动姿态控制系统水平滑动以模拟释放时的水平速度，悬吊释放系统铰接于姿态控制系统；将试验着陆器固定到释放滑块上，释放滑块与主承力块锁死，调整释放时姿态，提升水平框架系统到预定高度，利用控制器发送信号至驱动器，继而由电机驱动释放滑块，整机在重力作用下自由落体并触地碰撞，高速摄像机记录整个过程。
进一步，所述的台架系统包括顶固定架、四根竖直滑轨、法兰盘和地面模拟板，其中四根竖直滑轨通过四个法兰盘固定于地面模拟板上，顶固定架通过焊接固定在四根竖直滑轨的顶端，顶固定架下端设置提升系统，所述的高速摄像机置于地面模拟板上。
进一步，所述的提升系统包括电动葫芦和钩锁，所述的电动葫芦固定于顶固定架下端；所述的钩锁固定于水平框架系统的顶端。
进一步，所述的水平框架系统包括方形钢架、轴承固定套、第一直线轴承、前悬挂板、后悬挂板、丝杠、水平滑轨、丝杠轴承座、第一电机支架、联轴器、第一电机、水平滑块、丝杠螺母和第二直线轴承；
其中第一直线轴承固定于轴承固定套内侧，方形钢架两侧分别固定轴承固定套；前悬挂板和后悬挂板上下两端分别固定方形钢架，第一电机支架一端固定在前悬挂板上且另一端紧固第一电机；丝杠固定在前悬挂板和后悬挂板上的两个丝杠轴承座上，两个水平滑轨固定于前悬挂板和后悬挂板之间，且位于丝杠两侧；联轴器两侧分别联接第一电机和丝杠，水平滑块中间通孔的一侧固定有一个丝杠螺母，两侧通孔的内部均固定有第二直线轴承。
进一步，所述的姿态控制系统包括顶板、两根竖直承力杆、第一球铰链、电动推杆和第二球铰链；所述的两根竖直承力杆上端固定于顶板的下端，且竖直承力杆的下端与第二球铰链连接；所述的顶板的下端还通过第一球铰链连接电动推杆，电动推杆下端的伸缩结构与第二球铰链连接，姿态控制系统利用顶板固定于水平框架系统的下端。
进一步，所述的悬吊释放系统包括主承力块、大齿轮盘、轴承、铆钉、传动杆、螺钉、导杆、第三直线轴承、释放滑块、小齿轮盘、第二电机和第二电机支架；
所述的大齿轮盘设于主承力块上侧，所述的大齿轮盘中心套有轴承以减小摩擦；传动杆通过设于两端的铆钉和螺钉分别铰接于大齿轮盘和导杆；主承力块下端设置释放滑块，主承力块和释放滑块的四个边面各有一孔，且孔的位置相匹配连通，并在孔内壁设置有第三直线轴承；
主承力块的内凹部分为正四边形结构且通过导杆在第三直线轴承中的收缩后可与释放滑块锁紧完全啮合，第二电机通过第二电机固定架固定在主承力块上，第二电机上固定有小齿轮盘，利用大齿轮盘和小齿轮盘啮合可完成传动过程。
本发明还公开了一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置的试验方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、检查各分系统零部件是否正常工作，将释放滑块与试验着陆器固结；
步骤二、将释放滑块与主承力块内凹部分啮合，之后由控制器发出固定频率和时间的电脉冲信号给驱动器，从而驱动器控制第二电机开始转动，继而小齿轮盘带动大齿轮盘转动，由曲柄滑块原理使传动杆带动导杆向中心收缩锁紧；
步骤三、通过控制电动推杆中伸缩杆的长度，来确定悬吊释放系统的释放姿态，水平或倾斜预定角度；
步骤四、通过提升系统将水平框架系统提升到预定高度，高速摄像机开机开始录像；
步骤五、控制器发出预定频率的电脉冲信号给驱动器，驱动器继而驱动第一电机以预定转速转动，驱动水平滑块以预定水平速度滑动，到达合适位置后，控制器发出较高频率和短时电脉冲信号给驱动器，驱动器控制第二电机工作，驱动导杆向外滑出，释放滑块解锁并按预定姿态释放，高速摄像机持续记录数据；
步骤六、重新检测各分系统设备零件的工作状态，设定新一组的水平速度和释放姿态，重复步骤二～步骤五继续试验。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)释放前着陆器并不会随意晃动，通过姿态控制系统可设定释放时姿态，模拟触地前本体姿态水平或倾斜的工况；
(2)整套装置结构简单，在保证结构强度的条件下便于安装及后期维护，整个试验过程的释放高度、释放时水平速度和释放姿态均可确定，所以可控性强，可获得较准确的试验数据；
(3)在悬吊释放系统中，导杆在直线轴承中伸缩，并且导杆内侧端面为半球形结构，解锁释放时顺滑稳定，阻力小，可靠性高。
附图说明
图1为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置的左视图；
图2为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中水平框架系统三维结构图；
图3为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中第一电机部分三维结构图；
图4为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中水平滑块部分三维结构图；
图5为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中姿态控制系统三维结构图；
图6为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中悬吊释放系统三维结构图；
图7为本发明用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置中悬吊释放系统内解锁部分三维结构图；
图8为本发明实施例中模拟试验的三维结构图；
图9为本发明实施例中模拟试验的倾斜释放姿态时的正视图；
其中，1-台架系统，2-提升系统，3-水平框架系统，4-姿态控制系统，5-悬吊释放系统，6-高速摄像机，7-试验着陆器；11-顶固定架，12-竖直滑轨，13-法兰盘，14-地面模拟板，21-电动葫芦，22-钩锁，301-方形钢架，302-轴承固定套，303-第一直线轴承，304-前悬挂板，305-后悬挂板，306-丝杠，307-水平滑轨，308-丝杠轴承座，309-第一电机支架，310-联轴器，311-第一电机，312-水平滑块，313-丝杠螺母，314-第二直线轴承，41-顶板，42-竖直承力杆，43-第一球铰链，44-电动推杆，45-第二球铰链，501-主承力块，502-大齿轮盘，503-轴承，504-铆钉，505-传动杆，506-螺钉，507-导杆，508-第三直线轴承，509-释放滑块，510-小齿轮盘，511-第二电机，512-第二电机支架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，包括台架系统1、提升系统2、水平框架系统3、姿态控制系统4、悬吊释放系统5和高速摄像机6，所述提升系统2固定于台架系统1上，水平框架系统3设于台架系统1上并可竖直滑动，姿态控制系统4上端固定在水平框架系统3且下端设于悬吊释放系统5上。高速摄像机6置于台架系统1的地面模拟板14上，以观测着陆器落震的姿态变化。
如图2～7所示，本发明中的台架系统1包括顶固定架11、竖直滑轨12、法兰盘13和地面模拟板14，其中四根竖直滑轨12通过四个法兰盘13固定于地面模拟板14上，顶固定架11通过焊接固定在四根竖直滑轨12上，以维持整个装置的稳定，在地面模拟板14上可以铺放类似月壤的沙土或者堆积斜坡等，以更真实模拟月面环境。
提升系统2包括电动葫芦21和钩锁22，电动葫芦21固定于顶固定架11下端，钩锁22固定于方形钢架31上。
水平框架系统3包括方形钢架301、轴承固定套302、第一直线轴承303、前悬挂板304、后悬挂板305、丝杠306、水平滑轨307、丝杠轴承座308、第一电机支架309、联轴器310、第一电机311、水平滑块312、丝杠螺母313和第二直线轴承314，其中的第一直线轴承303固定于轴承固定套302内侧，此轴承固定套302可以调节对第一直线轴承303夹持的紧度，即不夹持过度导致第一直线轴承303变形也不过于松弛脱落，方形钢架301两侧分别固定轴承固定套302，前悬挂板304和后悬挂板305上下两端分别固定方形钢架301，第一电机支架309一端固定在前悬挂板304上且另一端紧固第一电机311，丝杠306设于固定在前悬挂板304和后悬挂板305上的两个丝杠轴承座308上，两个水平滑轨307相互平行固定于前悬挂板304和后悬挂板305上，联轴器301两侧分别联接第一电机311和丝杠306，水平滑块312中间通孔的一侧固定有一个丝杠螺母313，两侧通孔的两边都各固定有一个第二直线轴承314，试验提升预定高度时水平滑块312在靠近前悬挂板304的一侧，模拟水平速度的矢量方向为由前悬挂板304指向后悬挂板305。
姿态控制系统4包括顶板41、竖直承力杆42、第一球铰链43、电动推杆44和第二球铰链45，其中两根竖直承力杆42上端固定于顶板41且下端联接在第二球铰链45上，电动推杆44的上端联接于固定在顶板41上的第一球铰链43上，下端的伸缩结构联接在第二球铰链45上。
悬吊释放系统5包括:主承力块501、大齿轮盘502、轴承503、铆钉504、传动杆505、螺钉506、导杆507、第三直线轴承508、释放滑块509、小齿轮盘510、第二电机511和第二电机支架512，其中的大齿轮盘502设于主承力块501上侧并套有轴承503以减小摩擦，传动杆505通过设于两侧的铆钉504和螺钉506分别铰接于大齿轮盘502和导杆507，主承力块501和释放滑块509的四个边面各有一孔并固定有第三直线轴承508，主承力块501的内凹部分为正四边形结构且通过导杆507在直线轴承508中的收缩后可与释放滑块509锁紧完全啮合，第二电机511通过第二电机固定架512固定在主承力块501上，第二电机511上固定有小齿轮盘510，大齿轮盘502和小齿轮盘510啮合可完成传动过程。在大齿轮盘502上有限位凹槽513，配合主承力块上的小凸台，可以防止第二电机511失控时大齿轮盘502转动过度。导杆507的内侧端面为半球形，从释放滑块509中的第三直线轴承508抽出时更顺滑，释放瞬间更平稳。
本发明用于观测着陆器落震姿态变化的试验方法，包括以下步骤:
(1)检查各分系统零部件是否正常工作，将释放滑块509与试验着陆器7固结，此固结方式不固定，视着陆器的外形而定，但尽量不影响试验着陆器7的重量分配；
(2)将释放滑块509与主承力块501内凹部分啮合，之后由控制器发出固定频率和时间的电脉冲信号给驱动器，从而驱动器控制第二电机(511)开始转动，继而小齿轮盘510带动大齿轮盘502转动，由曲柄滑块原理使传动杆505带动导杆507向中心收缩锁紧；
(3)通过控制电动推杆44中伸缩杆的长度，来确定悬吊释放系统5的释放姿态，水平或倾斜预定角度；
(4)通过提升系统2将水平框架系统3提升到预定高度，高速摄像机6开机开始录像；
(5)控制器发出预定频率的电脉冲信号给驱动器，驱动器继而驱动第一电机311以预定转速转动，驱动水平滑块312以预定水平速度滑动，到达合适位置后，控制器发出较高频率和短时电脉冲信号给驱动器，驱动器控制第二电机511工作，驱动导杆507向外滑出，释放滑块509解锁并按预定姿态释放，高速摄像机6持续记录数据；
(6)重新检测各分系统设备零件的工作状态，设定新一组的水平速度和释放姿态，重复步骤(2)～(5)继续试验。模拟的试验如图8～9所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的悬吊释放装置包括台架系统（1），所述的台架系统（1）顶端设置有提升系统（2），所述的台架系统（1）的水平方向上设置水平框架系统（3），且水平框架系统（3）能够沿着台架系统（1）竖直滑动；所述的水平框架系统（3）下端依次设置姿态控制系统（4）、悬吊释放系统（5）；所述的悬吊释放装置中还设置有高速摄像机（6），以观测着陆器落震的姿态变化。
2.根据权利要求1所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的台架系统（1）包括顶固定架（11）、四根竖直滑轨（12）、法兰盘（13）和地面模拟板（14），其中四根竖直滑轨（12）通过四个法兰盘（13）固定于地面模拟板（14）上，顶固定架（11）通过焊接固定在四根竖直滑轨（12）的顶端，顶固定架（11）下端设置提升系统（2），所述的高速摄像机（6）置于地面模拟板（14）上。
3.根据权利要求2所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的提升系统（2）包括电动葫芦（21）和钩锁（22），所述的电动葫芦（21）固定于顶固定架（11）下端；所述的钩锁（22）固定于水平框架系统（3）的顶端。
4.根据权利要求3所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的水平框架系统（3）包括方形钢架（301）、轴承固定套（302）、第一直线轴承（303）、前悬挂板（304）、后悬挂板（305）、丝杠（306）、水平滑轨（307）、丝杠轴承座（308）、第一电机支架（309）、联轴器（310）、第一电机（311）、水平滑块（312）、丝杠螺母（313）和第二直线轴承（314）；
其中第一直线轴承（303）固定于轴承固定套（302）内侧，方形钢架（301）两侧分别固定轴承固定套（302）；前悬挂板（304）和后悬挂板（305）上下两端分别固定方形钢架（301），第一电机支架（309）一端固定在前悬挂板（304）上且另一端紧固第一电机（311）；丝杠（306）固定在前悬挂板（304）和后悬挂板（305）上的两个丝杠轴承座（308）上，两个水平滑轨（307）固定于前悬挂板（304）和后悬挂板（305）之间，且位于丝杠（306）两侧；联轴器（310）两侧分别联接第一电机（311）和丝杠（306），水平滑块（312）中间通孔的一侧固定有一个丝杠螺母（313），两侧通孔的内部均固定有第二直线轴承（314）。
5.根据权利要求1所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的姿态控制系统（4）包括顶板（41）、两根竖直承力杆（42）、第一球铰链（43）、电动推杆（44）和第二球铰链（45）；所述的两根竖直承力杆（42）上端固定于顶板（41）的下端，且竖直承力杆（42）的下端与第二球铰链（45）连接；所述的顶板（41）的下端还通过第一球铰链（43）连接电动推杆（44），电动推杆（44）下端的伸缩结构与第二球铰链（45）连接，姿态控制系统利用顶板（41）固定于水平框架系统（3）的下端。
6.根据权利要求1所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置，其特征在于，所述的悬吊释放系统（5）包括主承力块（501）、大齿轮盘（502）、轴承（503）、铆钉（504）、传动杆（505）、螺钉（506）、导杆（507）、第三直线轴承（508）、释放滑块（509）、小齿轮盘（510）、第二电机（511）和第二电机支架（512）；
所述的大齿轮盘（502）设于主承力块（501）上侧，所述的大齿轮盘（502）中心套有轴承（503）；传动杆（505）通过设于两端的铆钉（504）和螺钉（506）分别铰接于大齿轮盘（502）和导杆（507）；主承力块（501）下端设置释放滑块（509），主承力块（501）和释放滑块（509）的四个边面各有一孔，且孔的位置相匹配连通，并在孔内壁设置有第三直线轴承（508）；
主承力块（501）的内凹部分为正四边形结构且通过导杆（507）在第三直线轴承（508）中的收缩后可与释放滑块（509）锁紧完全啮合，第二电机（511）通过第二电机固定架（512）固定在主承力块（501）上，第二电机（511）上固定有小齿轮盘（510），利用大齿轮盘（502）和小齿轮盘（510）啮合可完成传动过程。
7.根据权利要求1~6任一所述的一种用于观测着陆器落震姿态变化的悬吊释放装置的试验方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、检查各分系统零部件是否正常工作，将释放滑块（509）与试验着陆器（7）固结；
步骤二、将释放滑块（509）与主承力块（501）内凹部分啮合，由控制器发出固定频率和时间的电脉冲信号给驱动器，从而驱动器控制第二电机（511）开始转动，继而小齿轮盘（510）带动大齿轮盘（502）转动，由曲柄滑块原理使传动杆（505）带动导杆（507）向中心收缩锁紧；
步骤三、通过控制电动推杆（44）中伸缩杆的长度，来确定悬吊释放系统（5）的释放姿态，水平或倾斜预定角度；
步骤四、通过提升系统（2）将水平框架系统（3）提升到预定高度， 高速摄像机（6）开机开始录像；
步骤五、控制器发出预定频率的电脉冲信号给驱动器，驱动器继而驱动第一电机（311）以预定转速转动，驱动水平滑块（312）以预定水平速度滑动，到达合适位置后，控制器发出较高频率和短时电脉冲信号给驱动器，驱动器控制第二电机（511）工作，驱动导杆（507）向外滑出，释放滑块（509）解锁并按预定姿态释放，高速摄像机（6）持续记录数据；
步骤六、重新检测各分系统设备零件的工作状态，设定新一组的水平速度和释放姿态，重复步骤二~步骤五继续试验。
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