CN112722337B - 一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿 - Google Patents

Abstract

一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，包括主缓冲器连接件，主缓冲器连接件与压力传感器连接，压力传感器与传感器下连接件相连，外筒首端与传感器下连接件连接，外筒内壁设有加热层，内筒滑动滑动连接在外筒内部，内筒首端设有活塞，内筒末端通过球形铰杆转动连接有足垫，外筒内部活塞与传感器下连接件之间连接设有第一吸能内芯和第二吸能内芯，外筒侧壁连接有贯穿至外筒内部的液体导管，导热液填充在外筒内部活塞与传感器下连接件之间并能在液体导管内流通，该着陆腿具备较强的运动过程中着陆器能量吸收能力以及形状自恢复能力，因其具有形状记忆恢复功能，故使得此着陆腿可以重复使用，便于回收二次利用。

Description

一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿

技术领域

本发明属于航空航天技术设备技术领域，具体涉及一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿。

背景技术

随着航空航天技术的发展，人类想要走出地球，探索宇宙获得太空中的众多资源的愿望越来越强。从上世纪五六十年代开始，人类就开始向外太空发射了多种航天器，从飞出地球到月球勘探再到火星探测，人类向外太空探索的脚步逐渐向前，我们不仅可以通过星际探测器观测它们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、建立外太空经济打下基础，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。

然而在外星表面着陆时，需要应对复杂的着陆条件，为了保护着陆器上的科学探测仪器，着陆缓冲的关键技术必不可少。又因外太空着陆的特殊性和不可重复性这就要求星际着陆器要可靠、可回收、可重复使用，从而降低成本、提高着陆器的使用效率；在各种着陆方式中。机械方式可靠性高、应用范围广，所以设计出重量轻，强度大、承力性能良好的着陆缓冲结构十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿。该着陆腿具备较强的运动过程中着陆器能量吸收能力以及形状自恢复能力，可用于行星探测活动中，并且可以携带较重的载荷，因其具有形状记忆恢复功能，故使得此着陆腿可以重复使用，便于回收二次利用。

一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，包括主缓冲器连接件，主缓冲器连接件上端与主缓冲器相连接，主缓冲器连接件下端与压力传感器连接，主缓冲器连接件下端与压力传感器上的压力膜片抵触，压力传感器下端与传感器下连接件紧固相连，外筒首端与传感器下连接件紧固连接，外筒末端通过紧固连接有内径小于外筒内径的限位环，外筒内壁设有加热层，内筒滑动滑动连接在外筒内部，内筒首端设有抵触在外筒内壁并能随内筒滑动的活塞，内筒中部设有延其轴向延伸的滑槽，限位环内壁抵触在内筒滑槽内，内筒末端通过球形铰杆转动连接有足垫，足垫上端与内筒下端之间均匀分布有至少3组吸能弹簧，外筒内部活塞与传感器下连接件之间连接设有第一吸能内芯和第二吸能内芯，第一吸能内芯与第二吸能内芯之间安装有隔板，隔板中设有连通孔，外筒侧壁连接有贯穿至外筒内部的液体导管，导热液填充在外筒内部活塞与传感器下连接件之间并能在液体导管内流通，外筒外壁还设有辅助缓冲器连接件；

第一吸能内芯和第二吸能内芯以NITI形状记忆合金为基材构建。

本发明的有益效果：

1.本发明具备较强的着陆缓冲性能、姿态控制能力和可恢复性。

2.仿生吸能缓冲结构的使用，可以有效地提高着陆器腿的抗冲击吸能的能力，两种仿生缓冲吸能内芯结构在着陆器着陆过程中，吸能内芯结构采用变形的方式吸收着陆器落地时产生的冲击动能，足垫与内筒相连接的部位通过设置球形铰杆，使得着陆腿有多个自由度，有利于在着陆运动过程中保持着陆器本体姿态的平稳，吸能弹簧的应用增加了着陆腿的缓冲减震性能同时增加了足垫的稳定性。

3.第一吸能内芯和第二吸能内芯以NITI形状记忆合金为基材构建，该材料本身的高弹性以及形状记忆效应，不仅可以增强探测着陆器的抗冲击吸能的能力，还能在着陆时所受冲击能量过大时，第一吸能内芯和第二吸能内芯结构形变后，着陆缓冲结构能够在智能温度控制系统的控制下，恢复形状，有利于探测器的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

4.手型蜂窝结构和仿六边形蜂窝结构的运用，一方面，增强了着陆器的抗冲击能力，另一方面，减轻了着陆器腿部结构的质量。

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为本发明一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿的整体结构示意图。

图2为本发明一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿的剖视图。

图3为本发明一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿的上部结构剖视图。

图4为本发明一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿的下部结构剖视图。

图5为本发明第一吸能内芯的结构示意图。

图6为本发明第二吸能内芯的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示，一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，包括主缓冲器连接件1，主缓冲器连接件1上端与主缓冲器相连接，主缓冲器与辅助缓冲器成倒三角方式围在着陆器的四周，主缓冲器与辅助缓冲器自身有较为优良的抗冲击缓冲效应，主缓冲器连接件1下端与压力传感器31通过螺栓34连接，主缓冲器连接件1下端与压力传感器31上的压力膜片33抵触，压力传感器31下端通过螺栓2与传感器下连接件32紧固相连，外筒5首端与传感器下连接件32通过螺栓2和垫圈16紧固连接，外筒5末端通过螺栓2和垫圈1紧固连接有内径小于外筒5内径的限位环9，垫圈16在这里起到紧固与密封的作用，压力膜片33通过感受腿部结构的压力变化，将着陆器着陆时的受力变化数据上传，分析数据后留存以便于未来对着陆腿结构的设计优化，外筒5内壁设有加热层15，内筒6滑动滑动连接在外筒5内部，内筒6首端设有抵触在外筒5内壁并能随内筒6滑动的活塞12，内筒6中部设有延其轴向延伸的滑槽3，限位环9内壁抵触在内筒6滑槽3内，外筒5与内筒6嵌套为一个伸缩机构，外筒6底端用紧固螺栓2固定上限位环9，以此防止内筒6与活塞12从外筒6内滑出，内筒6末端通过球形铰杆73转动连接有足垫72，足垫72上端与内筒6下端之间均匀分布有至少3组吸能弹簧71，足垫72上分布有多个贯穿的足垫孔721，外筒5内部活塞12与传感器下连接件32之间连接设有第一吸能内芯10和第二吸能内芯11，第一吸能内芯10与第二吸能内芯11之间安装有隔板8，隔板8中设有连通孔，外筒5侧壁连接有贯穿至外筒5内部的液体导管13，导热液14填充在外筒5内部活塞12与传感器下连接件32之间并能在液体导管13内流通，外筒5外壁还设有带孔的辅助缓冲器连接件4；

第一吸能内芯10和第二吸能内芯11以NITI形状记忆合金为基材构建。

第一吸能内芯10为手型蜂窝结构，此手型蜂窝结构是一种负泊松比结构，单元结构为三角形状，在三角形状的顶角部分设有漩涡状顶点，通过三个圆柱连接顶点，将单元结构分别进行横向与纵向的阵列，形成第一吸能内芯10。此种结构在压缩过程中，当冲击力过大时，因单元结构上三角顶点上的漩涡结构，使得在顶点处产生内部的扭矩，诱导结构发生形变，从而利用形变吸收冲击动能，此种结构有着较高的强度与较好的变形能力，在相同条件下，有着更小的峰值力，更高的比吸能。

第二吸能内芯11为仿六边形蜂窝结构，单房形状为扁平状六边形结构，单房与单板连接后以单板轴线为轴环状阵列为十字结构后进行纵向阵列，形成第二吸能内芯11。环状阵列为十字结构的第二吸能内芯11是一种密合度高且最经济的空间架构。扁平状六边形结构与相邻的扁平状六边形结构之间进行倒圆角，防止应力集中的产生导致结构破碎，第二吸能内芯11易于变形，增加了结构在轴向承载情况下的变形能力，利于防止因冲击力过大造成的应力集中导致的结构破碎。

更进一步而言，所述的内筒6、外筒5、螺栓2、隔板8、主缓冲器连接件1和足垫72均采用铝合金材料制成。

更进一步而言，所述的加热层15为电阻丝加热，用于对第一吸能内芯10和第二吸能内芯11加热，使第一吸能内芯10和第二吸能内芯11达到记忆温度。

本发明的工作原理及使用过程：

下降过程中，足垫72最先与行星表面接触，足垫72上设有足垫孔721，足垫孔721在不影响整体强度的情况下减轻了整体的质量，内筒6末端与足垫72之间采用球形铰杆73连接，使得着陆腿有多个自由度，有利于在着陆运动过程中保持着陆器本体姿态的平稳，因着陆位置的地形复杂，外太空着陆条件极端，为了使着陆器在着陆时有着良好的着陆姿态，在内筒6与足垫72中连接有吸能弹簧，并在足垫和内筒之间使用球形铰杆73的方式连接，着陆时如遇到复杂地形时，足垫72的一边先与地面接触，地面对足垫72的反作用力使得足垫72结构以球形铰接73为中心产生扭转，此时吸能弹簧71起到抑制足垫扭转的作用，足垫72触地受力后内筒6会沿着外筒5向主缓冲器连接件1方向做收缩运动，内筒6活塞12与传感器下连接件32之间未填充导热液14，内筒6活塞12沿着外筒5内壁向右运动，此时第一吸能内芯10和第二吸能内芯11受到压力，产生形变来吸收较高的冲击动能，以起到良好的抗冲击吸能缓冲的效果，同时压力膜片33通过感受腿部结构的压力变化，将着陆器着陆时的受力变化数据上传，分析数据后留存以便于未来对着陆腿结构的设计优化。

当需要使第一吸能内芯10和第二吸能内芯11恢复形变时将导热液14引流至内筒6活塞12与传感器下连接件32之间，液体导管13的另一端连接储液箱(未在图中体现)，通过智能温度控制系统(图中未表示)来控制加热层15对导热液14加热温度，使得导热液14中的温度达到材料所需的相变温度使第一吸能内芯10和第二吸能内芯11恢复形状。所述第一吸能内芯10和第二吸能内芯11，分别采用手型蜂窝结构及仿六边形蜂窝结构，这两种结构有着良好的抗冲击吸能缓冲的效果，结合NITI形状记忆合金材料以及增材制造技术的运用，使得复杂缓冲吸能结构的制造变得容易，并且将材料的形状记忆效应耦合其中，让我们所设计着陆腿不仅可以通过内芯结构的变形来吸收较高的冲击动能，NITI形状记忆合金材料本身的高弹性以及形状记忆效应，不仅可以增强探测着陆器的抗冲击吸能的能力，还能在着陆时所受冲击能量过大时，腿部结构发行形变后，着陆缓冲结构能够在智能温度控制系统的控制下，恢复形状，有利于探测器的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

Claims (5)

1.一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，其特征在于：包括主缓冲器连接件（1），主缓冲器连接件（1）上端与主缓冲器相连接，主缓冲器连接件（1）下端与压力传感器（31）连接，主缓冲器连接件（1）下端与压力传感器（31）上的压力膜片（33）抵触，压力传感器（31）下端与传感器下连接件（32）紧固相连，外筒（5）首端与传感器下连接件（32）紧固连接，外筒（5）末端通过紧固连接有内径小于外筒（5）内径的限位环（9），外筒（5）内壁设有加热层（15），内筒（6）滑动连接在外筒（5）内部，内筒（6）首端设有抵触在外筒（5）内壁并能随内筒（6）滑动的活塞（12），内筒（6）中部设有延其轴向延伸的滑槽（3），限位环（9）内壁抵触在内筒（6）滑槽（3）内，内筒（6）末端通过球形铰杆（73）转动连接有足垫（72），足垫（72）上端与内筒（6）下端之间均匀分布有至少3组吸能弹簧（71），外筒（5）内部活塞（12）与传感器下连接件（32）之间连接设有第一吸能内芯（10）和第二吸能内芯（11），第一吸能内芯（10）与第二吸能内芯（11）之间安装有隔板（8），隔板（8）中设有连通孔，外筒（5）侧壁连接有贯穿至外筒（5）内部的液体导管（13），导热液（14）填充在外筒（5）内部活塞（12）与传感器下连接件（32）之间并能在液体导管（13）内流通，外筒（5）外壁还设有辅助缓冲器连接件（4）；

第一吸能内芯（10）和第二吸能内芯（11）以NITI形状记忆合金为基材构建；

第一吸能内芯（10）为手型蜂窝结构，此手型蜂窝结构为负泊松比结构，单元结构为三角形状，在三角形状的顶角部分设有漩涡状顶点，通过三个圆柱连接顶点，将单元结构分别进行横向与纵向的阵列形成第一吸能内芯（10）；

第二吸能内芯（11）为仿六边形蜂窝结构，单房形状为扁平状六边形结构，单房与单板连接后以单板轴线为轴环状阵列为十字结构后进行纵向阵列形成第二吸能内芯（11）。

2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，其特征在于：扁平状六边形结构与相邻的扁平状六边形结构之间进行倒圆角。

3.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓

冲着陆腿，其特征在于：所述的加热层（15）为电阻丝加热，用于对第一吸能内芯（10）和第二吸能内芯（11）加热，使第一吸能内芯（10）和第二吸能内芯（11）达到记忆温度。

4.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，其特征在于：所述的外筒（5）首端与传感器下连接件（32）通过螺栓（ 2） 和垫圈（ 16） 紧固连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的梯度吸能内芯行星探测缓冲着陆腿，其特征在于：所述的足垫（72）上分布有多个贯穿的足垫孔（721）。

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