CN111891410B - 一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，包括着陆器主体和缓冲结构。着陆器主体用于容纳有效载荷，缓冲结构周向等间隔地连接在着陆器主体的侧壁。缓冲结构包括：机械腿组件，主减震器以及足垫；机械腿组件包括着陆支腿，着陆支腿为负泊松比结构的记忆合金。主减震器的一端与着陆器主体连接，另一端与着陆支腿上端的球形铰链相铰接，形成主减震器相对机械腿组件的转动副。本发明的有益效果是：通过负泊松比结构的记忆合金着陆支撑腿和主减震器相对机械腿组件的转动副，使得行星探测着陆器具备较强的着陆缓冲性能、姿态控制能力以及形状可恢复性，且在缓冲性能和姿态调控能力增强后，着陆器还可以携带较重的载荷。

Description

一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器

技术领域

本发明涉及一种行星探测着陆器，具体涉及一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器。

背景技术

随着科学技术的发展，人类开始了不断的地外行星探测活动。通过地外行星探测，人类不仅可以通过观测行星及其卫星的地质结构、表面形状、周围环境等，发现行星上的珍贵矿藏，为将来的资源开采打下基础，并且可以通过对行星上的化学元素进行采样分析，了解星系的起源、演变及现状，探索生命的起源。

目前，已知的着陆器着陆方式主要分为“硬着陆”和“软着陆”两种。“硬着陆”一般是指着陆器未减速(或未减速到人员或设备允许值)，而以较大速度直接返回地球或击中行星，这是毁坏性的着陆，只能获得在与行星表面撞击前所探测到的数据。“软着陆”是指着陆器在降落过程中，逐渐减低降落速度，使得着陆器在接触行星表面瞬时的垂直速度降低到很小，最后不受损坏地降落到地面或其他星体表面上，同时利用缓冲结构吸收冲击能量，从而实现安全着陆的技术。“软着陆”的着陆方式可以使探测器较长时间地在行星上工作，获得大量精准的数据，故探测器着陆设计时多采用“软着陆”的方式进行着陆。

着陆器着陆时，需要搭载一定的有效载荷。当出现着陆区域地形地貌凹凸不平、着陆后的姿态不理想或着陆器缓冲腿在外星体表面下陷等不利工作情况时，现有技术中的缓冲结构的缓冲性能不够，会影响到所搭载的科学仪器等有效载荷的工作状态，进而对后续探测任务的实施产生不利影响。另一方面，若着陆时的冲击力过大，会对着陆器造成难以恢复的形变，造成损坏。此外，由于行星表面形貌凸凹不平，着陆器在行走过程中常常发生倾斜现象，使得着陆器本体失去平稳的姿态，影响有效载荷的工作状态。

因此，设计可靠性好、姿态调整能力强、抗冲击能力强以及受到冲击后的能够及时恢复形状的缓冲结构显得尤为重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中着陆器缓冲性能不足、收到较强冲击后难以恢复形状以及着陆器行走过程中姿态调整能力较差的问题，本发明提供一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，包括着陆器主体和缓冲结构；

着陆器主体的底面封闭，其内部用于容纳有效载荷；

缓冲结构周向等间隔地连接在着陆器主体的侧壁；

缓冲结构包括：机械腿组件，主减震器以及足垫；

机械腿组件包括着陆支腿，

着陆支腿为负泊松比结构的记忆合金；

主减震器的一端与所述着陆器主体连接，另一端与着陆支腿上端的球形铰链相铰接，形成主减震器相对机械腿组件的转动副。

根据本发明，主减震器通过主减震器连接器与着陆支腿上端的球形铰链相铰接；

主减震器连接器包括主减震器连接杆和主减震器球形铰链，主减震器与主减震器连接杆相连接，主减震器连接杆的下端形成容置主减震器球形铰链的球形凹腔，以使主减震器连接杆可绕主减震器球形铰链转动；主减震器球形铰链的下端为实心金属圆柱，与着陆支腿的上端焊接在一起。

根据本发明，缓冲结构还包括辅助减震器；

辅助减震器通过辅助减震器连接器、套设于着陆支腿外部的辅助减震器锁定装置连接至着陆支腿的中部，辅助减震器的另一端通过连接组件连接至着陆器主体。

根据本发明，辅助减震器包括对称分布的左辅助减震器和右辅助减震器，左辅助减震器和右辅助减震器的一端皆连接至所述辅助减震器连接器，左辅助减震器和右辅助减震器的另一端分别连接至设置在着陆器主体侧壁的连接组件的两端，使得左辅助减震器、右辅助减震器和着陆器主体形成三角形稳定结构。

根据本发明，主减震器包括顶杆、中杆和伸缩杆；顶杆与着陆器主体螺栓固定，伸缩杆的一端与机械腿组件连接；伸缩杆的另一端安装在中杆内部，可沿中杆内部滑动以实现伸缩。

根据本发明，着陆器还包括温度控制系统，用于调节记忆合金的温度，使其恢复形状；

温度控制系统包括设置在负泊松比结构内部的电热丝，用于对记忆合金加热，使记忆合金达到相变温度，从而实现形状回复。

根据本发明，缓冲结构的数量为3-4组。

根据本发明，连接组件与所述缓冲结构对应设置，以将每组缓冲结构中的辅助减震器均匀地周向等间隔连接在着陆器主体的侧壁；

每组连接组件包括若干组内连接板和若干组外连接板，每组内连接板包括2个，对称且垂直地焊接在着陆器主体的侧壁，外连接板的两端通过螺栓分别与内连接板固定在一起；

左辅助减震器和右辅助减震器通过螺栓与外连接板固定在一起。

根据本发明，机械腿组件还包括小腿杆，

小腿杆的上端为实心圆柱，与着陆支腿的下端连接；小腿杆的下端为球形铰链，与足垫相铰接，形成小腿杆相对足垫的转动副。

根据本发明，足垫上设置足垫孔。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明的基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，通过负泊松比结构的记忆合金着陆支撑腿、主减震器和足垫的共同作用，使得行星探测着陆器具备较强的着陆缓冲性能、姿态控制能力以及形状可恢复性，且在缓冲性能和姿态调控能力增强后，着陆器还可以携带较重的载荷。

(2)本发明通过多组主减震器的配合，使得着陆器在着陆过程中，着陆支撑腿相对于着陆器本体具有多个可调节的自由度，使得行星探测着陆器能够相对灵活地控制本体姿态。另外，本发明在各个主减震器与着陆支撑腿相连接的部位球形铰接，使得着陆支撑腿有多个自由度，有利于着陆器在凸凹不平的行星表面运动过程中保持着陆器本体姿态的平稳。

(3)本发明采用记忆合金作为陆支撑腿的材料，记忆合金本身具有高弹性以及形状记忆效应，可以增强探测着陆器的抗冲击吸能的能力，使得机械腿组件具有外摆、内收、伸展以及曲屈等自由度。另一方面，记忆合金的采用，还能在着陆时受到冲击能量过大时，着陆支撑腿的结构发生塑性形变后，着陆支腿能够在智能温度控制系统的控制下，恢复形状。有利于行星探测器的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

(4)本发明将着陆支撑腿设计为负泊松比结构，一方面，增强了着陆器的抗冲击能力，另一方面，减轻了着陆器的整体质量。

(5)本发明弥补了传统的可行走着陆器在运动灵活性和使用便利性等方面的不足，具备较强的落地时着陆器本体姿态控制能力和抗冲击的能力。

附图说明

图1为本发明中基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器的整体结构示意图；

图2为本发明中机械腿组件的结构示意图；

图3为本发明中机械腿组件的剖视图；

图4为着陆支撑腿所采用的负泊松比结构；

图5为着陆支撑腿的结构示意图；

图6为着陆支撑腿的整体示意图；

图7为主减震器的结构示意图。

【附图标记说明】

1：缓冲结构；2：机械腿组件；21：着陆支腿；211：着陆支腿外壁；212：记忆合金负泊松比结构；22：辅助减震器连接器；23：辅助减震器连接杆；24：小腿杆；3：辅助减震器锁定装置；4：足垫；41：足垫球形铰链；42：足垫孔；5：主减震器；51：主减震器连接通孔；52：内轴承；53：主减震器内筒组件；54：减震弹簧；55：主减震器内部固定件；56：主减震器外筒；61：左辅助减震器；62：右辅助减震器；71：内连接板；72：外连接板；8：主减震器连接器；81：主减震器连接杆；82：主减震器球形铰链。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1至图7，本实施例提供一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，包括着陆器主体9和缓冲结构1。

着陆器主体9为圆筒结构，其底面封闭，其内部用于容纳有效载荷(包括摄像机、通信天线等科学仪器)。

缓冲结构1周向等间隔地连接在着陆器主体9的侧壁。

缓冲结构1包括：机械腿组件2，主减震器5以及足垫4。

机械腿组件2包括着陆支腿21，着陆支腿21为负泊松比结构的记忆合金。

主减震器5的一端与着陆器主体9连接，另一端与着陆支腿21上端的球形铰链相铰接，形成主减震器5相对机械腿组件2的转动副。

具体地，缓冲结构包括3-4组。

具体地，着陆器还包括温度控制系统，用于调节记忆合金的温度，使其恢复形状。

具体地，主减震器5通过主减震器连接器8与着陆支腿21上端的球形铰链相铰接。

主减震器连接器8包括主减震器连接杆81和主减震器球形铰链82，主减震器5与主减震器连接杆81相连接。如图3所示，主减震器球形铰链2的下端为实心金属圆柱，与着陆支腿21的上端焊接在一起。通过主减震器连接杆81和主减震器球形铰链82之间的铰接结构，主减震器5和着陆支撑腿21形成转动副，使得着陆器具有更多自由度，便于着陆器行走过程中根据不同的地貌情况进行姿态调整。

本实施例中，着陆器主体9的形状不做限制，可以是图1中的圆筒结构，也可以是其他多面体结构。本实施例中以圆筒结构的着陆器主体9为例进行说明。

具体地，本实施例中的着陆支腿21，包括着陆支腿外壁211及其内部的记忆合金负泊松比结构212。着陆支腿外壁211及其内部的记忆合金负泊松比结构212可通过增材制造技术进行打印，减小制造难度，另外，着陆支腿外壁211也可以采用记忆合金制得。本实施例选用镍钛记忆合金，其形状记忆合金的最优相变温度为60℃左右。当然，本发明并非仅限于镍钛合金，也可以采用其他类型和记忆温度的记忆合金。

温度控制系统包括设置在记忆合金负泊松比结构212内部的电热丝，用于对记忆合金进行加热。具体地，若行星表面温度高于记忆合金的记忆温度，待自然降温后恢复记忆合金形状。行星表面温度低于记忆合金的记忆温度，则利用电热丝对记忆合金进行加热，使其恢复形状。

本实施例采用记忆合金作为陆支撑腿21的材料，由于记忆合金本身具有高弹性以及形状记忆效应，因此能够增强探测着陆器的抗冲击吸能的能力。另一方面，相比现有技术中着陆器在受到冲击后造成的不可恢复，记忆合金的使用还能在着陆时受到冲击能量过大时，着陆支撑腿21的结构发生塑性形变后，能够在智能温度控制系统的控制下恢复形状，有利于行星探测器的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

另外本实施例将着陆支撑腿21设计为负泊松比结构，一方面，增强了着陆器的抗冲击能力，另一方面，减轻了着陆器的整体质量。

本实施例通过将主减震器与机械腿组件形成球形铰接，使得着陆器在着陆过程中，着陆支撑腿相对于着陆器本体具有多个可调节的自由度，使得行星探测着陆器能够相对灵活地控制本体姿态。此外，各个主减震器与着陆支撑腿相连接的部位球形铰接，使得着陆支撑腿有多个自由度，有利于着陆器在凸凹不平的行星表面运动过程中保持着陆器本体姿态的平稳。本发明弥补了传统的可行走着陆器在运动灵活性和使用便利性等方面的不足，具备较强的落地时着陆器本体姿态控制能力和抗冲击的能力。

具体地，缓冲结构1还包括辅助减震器。

具体地，着陆支腿21的中部设置辅助减震器锁定装置3，辅助减震器锁定装置3上设置辅助减震器连接器22，辅助减震器连接器22的端部设置辅助减震器连接杆23，用于连接辅助减震器。具体地，辅助减震器包括对称分布的左辅助减震器61和右辅助减震器62，左辅助减震器61和右辅助减震器62的一端通过连接组件与着陆器主体9相连接。

本实施例中的辅助减震器，一端与连接组件通过螺栓连接，另一端与着陆支撑腿连接。辅助减震器通过上述连接关系，一方面基本形成固定结构，能够维持着陆器本体的基本稳定，另一方面，由于辅助减震器连接杆的原因，辅助减震器可有小范围的转动，能够在维持着陆器主体稳定的前提下配合主减震器对整个着陆器的自由度调整以及姿态调整。

左辅助减震器和右辅助减震器通过螺栓与外连接板固定在一起。

具体地，如图1所示，连接组件与缓冲结构1对应设置，以将每组缓冲结构1中的辅助减震器均匀地周向等间隔连接在着陆器主体9的侧壁。连接组件包括若干组内连接板71和若干组外连接板72。内连接板71为金属板，每组内连接板71包括2个，对称且垂直地焊接在着陆器主体9的侧壁。外连接板72可以是圆弧配合方板的结构，方板与内连接板71的大小与形状一致，也可以与内连接板完全一致。外连接板72的方板通过螺栓分别与内连接板71固定在一起。

左辅助减震器61和右辅助减震器62通过螺栓分别与外连接板72固定在一起。

具体地，机械腿组件2还包括小腿杆24，小腿杆24的上端为实心圆柱，与着陆支腿21的下端连接。小腿杆24的下端通为足垫球形铰链41，与足垫24相铰接，形成小腿杆24相对足垫4的转动副。

具体地，本实施例中，足垫4上设置足垫孔42。

由于足垫4为橡胶硅胶等软质材料，在探测的行星表面，为了防止气体滞留在足垫4下造成着陆器整体的不稳定，在足垫4上增设足垫孔42，足垫孔42用于将滞留在足垫4下方的空气排出。另外，当探测的行星表面土壤等较为疏松时，在着陆器行走过程中，被压实的多余土壤能够通过足垫孔42流出。

具体地，本实施例中，主减震器5、左辅助减震器61以及右辅助减震器62的结构相同，均包括顶杆532、中杆和伸缩杆。其中，主减震器5的顶杆532与着陆器主体螺栓固定，伸缩杆的一端与机械腿组件2相连接；伸缩杆安装在中杆内部，可沿中杆内部滑动。

如图7所示，行星探测着陆器受到冲击后，冲击能量传递到减震机构，以主减震器为例，主减震器连接通孔51与主减震器连接杆81连接，上部伸缩杆531上套置减震弹簧54。受到冲击时，伸缩杆531有向内缩进的趋势，使得减震弹簧54形变吸收能量，通过主减震器外筒56内部的主减震器内筒组件53，内轴承52，主减震器内部固定件55等结构将能量缓冲并吸收，达到提高着陆器缓冲能力的目的。

综上，本发明的基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，通过负泊松比结构的记忆合金着陆支撑腿、主减震器、辅助减震器和足垫的共同作用，使得行星探测着陆器具备较强的着陆缓冲性能、姿态控制能力以及形状可恢复性。在着陆器的陆缓冲性能、姿态控制能力以及形状可恢复性得到有效提升后，着陆器的载荷携带能力也得到提升。

本发明通过多组主减震器、辅助减震器的配合，使得着陆器在着陆过程中，着陆支撑腿相对于着陆器本体具有多个可调节的自由度，使得行星探测着陆器能够相对灵活地控制本体姿态。另外，本发明在各个主减震器与着陆支撑腿相连接的部位球形铰接，使得着陆支撑腿有多个自由度，有利于着陆器在凸凹不平的行星表面运动过程中保持着陆器本体姿态的平稳。

本发明采用记忆合金作为陆支撑腿的材料，记忆合金本身具有高弹性以及形状记忆效应，可以增强探测着陆器的抗冲击吸能的能力，使得机械腿组件具有外摆、内收、伸展以及曲屈等自由度。另一方面，记忆合金的采用，还能在着陆时受到冲击能量过大时，着陆支撑腿的结构发生塑性形变后，着陆支腿能够在智能温度控制系统的控制下，恢复形状。有利于行星探测器的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

本发明将着陆支撑腿设计为负泊松比结构，一方面，增强了着陆器的抗冲击能力，另一方面，减轻了着陆器的整体质量。

本发明弥补了传统的可行走着陆器在运动灵活性和使用便利性等方面的不足，具备较强的落地时着陆器本体姿态控制能力和抗冲击的能力。

以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于负泊松比结构的记忆合金行星探测着陆器，其特征在于，包括着陆器主体(9)和缓冲结构(1)；

所述着陆器主体(9)的底面封闭，其内部用于容纳有效载荷；

所述缓冲结构(1)周向等间隔地连接在所述着陆器主体(9)的侧壁；

所述缓冲结构(1)包括：机械腿组件(2)，主减震器(5)以及足垫(4)；

所述机械腿组件(2)包括着陆支腿(21)，

所述着陆支腿(21)为负泊松比结构的记忆合金；

所述主减震器(5)的一端与所述着陆器主体(9)连接，另一端与着陆支腿(21)上端的球形铰链相铰接，形成主减震器(5)相对机械腿组件(2)的转动副；

所述主减震器(5)通过主减震器连接器(8)与着陆支腿(21)上端的球形铰链相铰接；

所述主减震器连接器(8)包括主减震器连接杆(81)和主减震器球形铰链(82)，所述主减震器(5)与所述主减震器连接杆(81)相连接，所述主减震器连接杆(81)的下端形成容置主减震器球形铰链(82)的球形凹腔，以使主减震器连接杆(81)可绕主减震器球形铰链(82)转动；

所述缓冲结构(1)还包括辅助减震器；所述辅助减震器的一端与所述着陆支腿(21)的中部连接，另一端与所述着陆器主体(9)连接。

2.如权利要求1所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述主减震器球形铰链(82)的下端为实心金属圆柱，与所述着陆支腿(21)的上端焊接在一起。

3.如权利要求1所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述辅助减震器通过辅助减震器连接器(22)、套设于着陆支腿(21)外部的辅助减震器锁定装置(3)连接至所述着陆支腿(21)的中部，所述辅助减震器的另一端通过连接组件连接至着陆器主体(9)。

4.如权利要求3所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述辅助减震器包括对称分布的左辅助减震器(61)和右辅助减震器(62)，所述左辅助减震器(61)和右辅助减震器(62)的一端皆连接至所述辅助减震器连接器(22)，所述左辅助减震器(61)和右辅助减震器(62)的另一端分别连接至设置在所述着陆器主体(9)侧壁的连接组件的两端，使得所述左辅助减震器(61)、右辅助减震器(62)和所述着陆器主体(9)形成三角形稳定结构。

5.如权利要求4所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述主减震器(5)包括顶杆(532)、中杆和伸缩杆；所述顶杆(532)与着陆器主体(9)螺栓固定，所述伸缩杆的一端与机械腿组件(2)连接；所述伸缩杆的另一端安装在中杆内部，可沿中杆内部滑动以实现伸缩。

6.如权利要求1所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述着陆器还包括温度控制系统，用于调节记忆合金的温度，使其恢复形状；

所述温度控制系统包括设置在负泊松比结构内部的电热丝，用于对记忆合金加热，使记忆合金达到相变温度，从而实现形状回复。

7.如权利要求4所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述缓冲结构(1)的数量为3-4组。

8.如权利要求4所述的行星探测着陆器，其特征在于，

所述连接组件与所述缓冲结构(1)对应设置，以将每组所述缓冲结构(1)中的辅助减震器均匀地周向等间隔连接在所述着陆器主体(9)的侧壁；

每组所述连接组件包括若干组内连接板(71)和若干组外连接板(72)，每组所述内连接板(71)包括2个，对称且垂直地焊接在所述着陆器主体(9)的侧壁，所述外连接板(72)的两端通过螺栓分别与内连接板(71)固定在一起；

所述左辅助减震器(61)和右辅助减震器(62)通过螺栓与所述外连接板(72)固定在一起。

9.如权利要求1所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述机械腿组件(2)还包括小腿杆(24)，

所述小腿杆(24)的上端为实心圆柱，与所述着陆支腿(21)的下端连接；所述小腿杆(24)的下端为球形铰链，与足垫(4)相铰接，形成小腿杆(24)相对足垫(4)的转动副。

10.如权利要求1所述的行星探测着陆器，其特征在于，所述足垫(4)上设置足垫孔(42)。

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