CN112706952B - 一种球形着陆器及使用球形着陆器的行星着陆方法 - Google Patents
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Abstract
一种球形着陆器及使用球形着陆器的行星着陆方法，本发明涉及球形着陆器及使用球形着陆器的行星着陆方法。本发明的目的是为了解决现有着陆器在着陆过程中稳定性、安全性差，易翻倒，以及会消耗大量燃料问题。过程为：球形着陆器包括球壳和偏重盘；球壳由六个架杆和盖板组成，盖板覆盖在六个架杆上，将六个架杆包裹起来；偏重盘包括圆盘、轴承、主轴和摆锤，组成控制系统稳定球体姿态；主轴贯穿圆盘圆心，与圆盘表面垂直设置；轴承套在主轴两端，与主轴同轴心设置；摆锤安装在偏重盘圆心处；偏重盘重心位于圆心下方。使用缓降、触地后滚动的方式着陆。本发明用于着陆器领域。
Description
技术领域
本发明涉及球形着陆器及使用球形着陆器的行星着陆方法。
背景技术
随着深空探测的快速发展，越来越多的行星着陆器被发射到星球表面。在探测任务中，着陆技术是研制的关键技术之一，提高着陆过程的可靠性很重要。现有着陆器分为固定式着陆器(例如嫦娥四号)和移动式着陆器(例如火星车)等，着陆缓冲技术分为气囊和减震杆等。软着陆是现阶段的主要着陆方式，其在着陆过程中完全消除对地速度，会消耗大量燃料。因此，在提高着陆过程的稳定性、安全性，避免翻倒的同时携带更多的有效载荷是未来发展的主要方向，给着陆器的结构和着陆方式提出了新的要求。
为满足上述要求，提升稳定性和安全性、避免翻倒需要更稳定的着陆器结构；要携带更多的有效载荷需要减少着陆过程中的燃料消耗。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有着陆器在着陆过程中稳定性、安全性差，易翻倒，以及会消耗大量燃料问题，而提出一种球形着陆器及使用球形着陆器的行星着陆方法。
球形着陆器包括球壳和偏重盘；
球壳由六个架杆和盖板组成，盖板覆盖在六个架杆上，将六个架杆包裹起来；
偏重盘包括圆盘、轴承、主轴和摆锤；
圆盘按圆心角均分为六个镂空区域，每个镂空区域的圆心角为60度，其中一个镂空区域缺少圆弧底边；
主轴贯穿圆盘圆心，与圆盘表面垂直设置；
轴承套在主轴两端，与主轴同轴心设置；
摆锤安装在偏重盘圆心处；
偏重盘重心位于圆心下方；
偏重盘位于球壳内部，每个轴承上安装六个二级减震弹簧，一端连接在轴承上，另一端连接在架杆上。
一种使用球形着陆器的行星着陆方法具体过程为：
步骤一、定义球形着陆器坐标系：
原点o为着陆器的主轴与着陆器的偏重盘的交点，x、y轴位于偏重盘平面内且互相垂直，z轴与主轴平行，与x，y轴构成右手系；
步骤二、将两个推力器分别安装在z轴与球壳结构的交点T1、T2上，方向垂直于z轴；
步骤三、获取飞行状态下着陆器的速度(vx，vy)；
式中，vx为平行于着陆器正下方平行月面方向的速度分量，vy为垂直于月面方向的速度分量；
vx，vy均在xoy平面内；
着陆器偏重盘与球壳通过分离机构固定连接，使摆锤的方向与推力器或滑翔伞方向一致；
步骤四、球形着陆器触地前调整姿态使推力器垂直朝向地面或使滑翔伞垂直背离地面，z轴平行于地面且垂直于vx；
在着陆无大气星球时，使用推力器将vy逐步消除；
在着陆有大气星球时，使用滑翔伞将vy逐步消除；
步骤五、球形着陆器触地瞬间将着陆器偏重盘与球壳之间的分离机构解开，通过触地滚动过程中球形着陆器外的仿生缓冲材料与地面摩擦消耗vx，消耗vx过程中偏重盘本身的“不倒翁结构”可以使偏重盘自身在xoy平面内保持稳定姿态；若球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，通过摆锤提供力矩补偿使球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态。
本发明的有益效果为：
本发明专利提出了一种使用偏重稳定结构的球形着陆器配合缓降、触地后滚动的新型着陆方案。其中球形着陆器的偏重稳定结构，利用几何优势较传统探测器解决了易翻倒的问题，提高了稳定性、安全性；缓降、触地后滚动的着陆方案较传统方案减少了燃料消耗量；同时着陆器表面覆盖仿生缓冲材料，吸收本发明方法中着陆器触地滚动的全部水平动能，同时保证着陆器内部的安全。本发明的球形着陆器本身既是着陆器又是巡视器；触地后可以移动探测；可以大量投放形成蜂群探测。
附图说明
图1为偏重盘示意图(内部)；
图2a为球形着陆器坐标系定义示意图；
图2b为球形着陆器XOZ坐标系示意图；
图2c为球形着陆器XOY坐标系示意图；
图3为沿y轴负向视图；
图4为z轴正向视图；
图5为外部球壳结构示意图(为方便展示结构将缓冲材料隐藏)；
图6为摆锤摆动示意图(y轴负向视图)；
图7为仿生缓冲材料示意图；
图8为z轴正向视图；
图9为着陆过程示意图；
图10为推力器安装位置图；
图11为着陆球实物图；
图12为在架杆上安装盖板的着陆球示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种球形着陆器包括：球形着陆器包括球壳和偏重盘；
球壳由六个架杆和盖板组成，盖板覆盖在六个架杆上，将六个架杆包裹起来；
偏重盘包括圆盘、轴承、主轴和摆锤；偏重盘结构(如图1、图3)；
圆盘按圆心角均分为六个镂空区域，每个镂空区域的圆心角为60度，其中一个镂空区域缺少圆弧底边；
主轴贯穿圆盘圆心，与圆盘表面垂直设置；
轴承套在主轴两端，与主轴同轴心设置；
摆锤安装在偏重盘圆心处；
偏重盘重心位于圆心下方(如图4)；这种结构可以保证在外部球壳(如图5)旋转时内部重心始终保持在主轴下方，类似于不倒翁，保持稳定姿态；
偏重盘位于球壳内部，每个轴承上安装六个二级减震弹簧，一端连接在轴承上，另一端连接在架杆上。
外部球壳与内部偏重盘在主轴的连接处安装轴承和二级减震弹簧(见图5)。一、二级减震结构共同构成复合减震结构。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述偏重盘与球壳通过分离机构连接，使摆锤的方向与推力器或滑翔伞方向一致。
分离机构解锁前偏重盘与球壳固定连接；离机构解锁后偏重盘与球壳转动连接，球壳相对于偏重盘可以绕主轴(z轴)自由旋转。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述分离机构安装在六个架杆和偏重盘的最近距离处。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述球形着陆器还包括仿生缓冲材料；
所述仿生缓冲材料包裹在球壳外侧，构成封闭的球壳，作为一级减震结构。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述摆锤的一端通过伺服舵机安装在偏重盘圆心处。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述球形着陆器还包括两个推力器，推力器安装于球壳上。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式一种使用球形着陆器的行星着陆方法具体过程为：
步骤一、定义球形着陆器坐标系：后文中坐标系基于图2a、2b、2c定义。
原点o为着陆器的主轴与着陆器的偏重盘的交点，x、y轴位于偏重盘平面内且互相垂直，z轴与主轴平行，与x，y轴构成右手系；
步骤二、将两个推力器分别安装在z轴与球壳结构的交点T1、T2上(如图10)，方向垂直于z轴；
步骤三、获取飞行状态下着陆器的速度(vx，vy)；
式中，vx为平行于着陆器正下方平行月面方向的速度分量，vy为垂直于月面方向的速度分量；
vx，vy均在xoy平面内；
着陆器偏重盘与球壳通过分离机构固定连接，使摆锤的方向与推力器或滑翔伞方向一致；实际需要，不然推力器点火时或滑翔伞展开时偏重盘在球壳里容易乱晃影响姿态；
着陆器偏重盘与球壳的相对位置是固定的，使用可以解锁的连接装置固定，使重锤的方向与推力器方向一致。
步骤四、球形着陆器触地前调整姿态使推力器垂直朝向地面(通过惯性导航、天文导航等方式获取姿态信息，使用动量轮(航天领域的一种调整航天器姿态的仪器)旋转整个着陆器。)或使滑翔伞垂直背离地面，z轴平行于地面且垂直于vx；
在着陆无大气星球时，使用推力器将vy逐步消除，使着陆器进入“缓降”即类似固定翼飞机着陆前的状态；
在着陆有大气星球时，使用滑翔伞将vy逐步消除，使着陆器进入“缓降”即类似固定翼飞机着陆前的状态；
步骤五、球形着陆器触地瞬间将着陆器偏重盘与球壳之间的分离机构解开，通过触地滚动过程中球形着陆器外的仿生缓冲材料与地面摩擦消耗vx，消耗vx过程中偏重盘本身的“不倒翁结构”可以使偏重盘自身在xoy平面内保持稳定姿态；若球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，通过摆锤提供力矩补偿使球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态；达到减少燃料消耗的目的。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，所述步骤五中球形着陆器触地瞬间将着陆器偏重盘与球壳之间的分离机构解开，通过触地滚动过程中球形着陆器外的仿生缓冲材料与地面摩擦消耗vx，消耗vx过程中偏重盘本身的“不倒翁结构”可以使偏重盘自身在xoy平面内保持稳定姿态；若球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，通过摆锤提供力矩补偿使球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态；达到减少燃料消耗的目的；具体过程为：具体过程为：
在消除vx的过程中地面不平会让球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，球形着陆器首先获取其自身在xoz平面内的转动角速度α球和转动角加速度α”球；通过摆锤控制系统的摆锤在xoz平面内按公式计算出的摆锤转动角加速度α”锤摆动，就能防止倾斜；
球形着陆器触地后球壳在xoy平面内高速转动，而由于球壳和偏重盘可以相对自由转动，而内部又保持偏重稳定结构，这种结构能让内部在xoy平面内保持稳定姿态。当着陆器受到xoz平面内偏心外力(地面不平)干扰时，摆锤控制系统将快速提供力矩补偿保证球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态；由于不需要耗废燃料来消除vx，减少了燃料消耗量，携带更少燃料使其可以携带更多的有效载荷。偏重盘中摆锤控制系统通过绕o点在xoz平面内左右摆动来实时调节重心，当球形着陆器向某一侧倾斜时通过传感器读取角速度信息，驱动摆锤提供反作用力矩快速扶正球形着陆器；球形着陆器转动的角加速度α”锤和摆锤转动的角加速度α”球关系如下式：
其中α球”、α锤”分别为球体倾斜的角加速度和摆锤转动的角加速度，J锤、J球分别为摆锤和球壳的转动惯量，m为摆锤质量，g为重力加速度，l为摆锤杆长。
例如：当发生如图6所示的情形时，摆锤向图中示意方向摆动，反之亦然。
其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是，所述仿生缓冲材料为负泊松比梯度蜂窝缓冲材料。
其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种球形着陆器，其特征在于：一种球形着陆器包括：球形着陆器包括球壳和偏重盘；
球壳由六个架杆和盖板组成，盖板覆盖在六个架杆上，将六个架杆包裹起来；
偏重盘包括圆盘、轴承、主轴和摆锤；
圆盘按圆心角均分为六个镂空区域，每个镂空区域的圆心角为60度，其中一个镂空区域缺少圆弧底边；
主轴贯穿圆盘圆心，与圆盘表面垂直设置；
轴承套在主轴两端，与主轴同轴心设置；
摆锤安装在偏重盘圆心处；
偏重盘重心位于圆心下方；
偏重盘位于球壳内部，每个轴承上安装六个二级减震弹簧，一端连接在轴承上，另一端连接在架杆上；
所述偏重盘与球壳通过分离机构连接；
所述分离机构安装在六个架杆和偏重盘的最近距离处；
所述球形着陆器还包括仿生缓冲材料；
所述仿生缓冲材料包裹在球壳外侧，构成封闭的球壳；
所述摆锤的一端通过伺服舵机安装在偏重盘圆心处；
所述球形着陆器还包括两个推力器，推力器安装于球壳上；
所述球形着陆器还包括滑翔伞。
2.一种使用球形着陆器的行星着陆方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、定义球形着陆器坐标系：
原点o为着陆器的主轴与着陆器的偏重盘的交点，x、y轴位于偏重盘平面内且互相垂直，z轴与主轴平行，与x，y轴构成右手系；
步骤二、将两个推力器分别安装在z轴与球壳结构的交点T1、T2上，方向垂直于z轴；
步骤三、获取飞行状态下着陆器的速度(vx，vy)；
式中，vx为平行于着陆器正下方平行月面方向的速度分量，vy为垂直于月面方向的速度分量；
vx，vy均在xoy平面内；
着陆器偏重盘与球壳通过分离机构固定连接，使摆锤的方向与推力器或滑翔伞方向一致；
步骤四、球形着陆器触地前调整姿态使推力器垂直朝向地面或使滑翔伞垂直背离地面，z轴平行于地面且垂直于vx；
在着陆无大气星球时，使用推力器将vy逐步消除；
在着陆有大气星球时，使用滑翔伞将vy逐步消除；
步骤五、球形着陆器触地瞬间将着陆器偏重盘与球壳之间的分离机构解开，通过触地滚动过程中球形着陆器外的仿生缓冲材料与地面摩擦消耗vx，消耗vx过程中偏重盘本身的“不倒翁结构”可以使偏重盘自身在xoy平面内保持稳定姿态；若球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，通过摆锤提供力矩补偿使球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态。
3.根据权利要求2所述一种使用球形着陆器的行星着陆方法，其特征在于：所述步骤五中球形着陆器触地瞬间将着陆器偏重盘与球壳之间的分离机构解开，通过触地滚动过程中球形着陆器外的仿生缓冲材料与地面摩擦消耗vx，消耗vx过程中偏重盘本身的“不倒翁结构”可以使偏重盘自身在xoy平面内保持稳定姿态；若球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，通过摆锤提供力矩补偿使球形着陆器在xoz平面内保持稳定姿态；具体过程为：
在消除vx的过程中地面不平会让球形着陆器在xoz平面内左右倾斜，球形着陆器首先获取其自身在xoz平面内的转动角速度α球和转动角加速度α″球；通过摆锤在xoz平面内按下式计算出的摆锤转动角加速度α″锤摆动，防止倾斜；
其中α球”、α锤”分别为球体倾斜的角加速度和摆锤转动的角加速度，J锤、J球分别为摆锤和球壳的转动惯量，m为摆锤质量，g为重力加速度，l为摆锤杆长。
4.根据权利要求3所述一种使用球形着陆器的行星着陆方法，其特征在于：所述仿生缓冲材料为负泊松比梯度蜂窝缓冲材料。
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