CN113148240B - 一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，包括主缓冲器连接件、压力传感器组件、外筒、吸能内芯和缓冲组件，外筒内设有吸能内芯和缓冲组件，吸能内芯包括材质为记忆合金、外形呈椭圆球状、内部镂空且外周均布有多个弧形板的吸能单元体和外形呈波浪状片材的吸能托盘，缓冲组件包括阻尼杆和扇形阻尼，扇形阻尼内部延其径向向外方向设有多个压缩弹簧，球头圆柱设置在扇形阻尼内部且球头圆柱首尾两端分别与压缩弹和阻尼杆配合；通过阻尼杆上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构和扇形阻尼之间的摩擦力产生的内能来吸收着陆过程中产生的冲击能量，同时阻尼杆的移动推动了球头圆柱移动，使得压缩弹簧发生形变，再次起到吸收冲击能量的作用。

Description

一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置

技术领域

本发明涉及行星探测缓冲着陆设备技术领域，具体指一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置。

背景技术

近些年来，人类发射了近200个深空探测器，随着对深空探测的研究越发深入，人类不仅取得了诸多骄人的成果，还加深了人类对地外空间的了解。月球是距离我们最近的天体，但是它的活动在数十亿年前就已经停止，从科学内容上来说并不丰富，所以在这种情况下地外行星的探测对我们了解太阳系的起源和演化更有意义。

在对地外行星进行探索之前，我们面对的一项重大问题就是探测器的着陆问题，针对不同的着陆星球的环境，需要有不同的着陆方式。以火星着陆为例，因火星大气密度仅为地球大气的百分之一左右，我们所发射的探测器想要在短时间内进行减速十分困难，其中“天问一号”降落火星就是以大气减速、气动减速、降落伞减速以及反推发动机减速四种方案为主要减速方案，最后依靠着陆腿软着陆的方式着陆到火星表面。

发明内容

为了解决现有技术中着陆器缓冲性能不足、受到较强冲击后难以恢复形状和着陆过程中姿态调整能力较差的问题，本发明提供一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置。

一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，包括主缓冲器连接件、压力传感器组件、辅助缓冲器连接件、外筒、着陆底部机构、吸能内芯和缓冲组件；

所述主缓冲器连接件上端与主缓冲器连接，主缓冲器连接件下端通过压力传感器组件与外筒上端连接；

所述的外筒内部从上至下依次设有吸能内芯和缓冲组件，外筒下端外缘处设有限位环且外筒外壁设有辅助缓冲器连接件；

所述的吸能内芯包括材质为记忆合金、外形呈椭圆球状、内部镂空且外周均布有多个弧形板的吸能单元体和外形呈波浪状片材的吸能托盘，吸能托盘内还均匀分布有与吸能单元体上下两接触面相配合的腔体；

缓冲组件包括阻尼杆和扇形阻尼；

所述的阻尼杆滑动连接在外筒内部且阻尼杆上端设置的隔板与吸能托盘抵触，阻尼杆下端延伸出外筒后与着陆底部机构连接，阻尼杆中部轴向延伸有规则的凹凸状突起缓冲结构；

多个扇形阻尼周向等距的焊接在外筒内壁构成扇形阻尼组，扇形阻尼内部延其径向方向向外设有多个压缩弹簧，球头圆柱设置在扇形阻尼内部且球头圆柱首尾两端分别与压缩弹和阻尼杆上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构配合；通过阻尼杆上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构和扇形阻尼之间的摩擦力产生的内能来吸收着陆过程中产生的冲击能量，同时阻尼杆的移动推动了球头圆柱向内移动，使得压缩弹簧发生形变，再次起到吸收冲击能量的作用；

所述的着陆底部机构包括吸能弹簧、足垫和球形铰接结构，所述的足垫与球形铰接结构万向铰接，球形铰接结构上端与阻尼杆下端固定连接，足垫周向均匀分布有多个吸能弹簧，吸能弹簧首尾两端分别与足垫和阻尼杆下端固定连接；

温度控制系统包括设置在外筒内壁的电热丝，用于对吸能内芯进行加热。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，包括着

陆底部机构、吸能内芯和缓冲组件等几个主要的吸能部分，通过这些部分的共同作用，使得行星探测着陆装置具备了较强的着陆吸能缓冲性能、姿态调控能力以及形状复原性。

（2）本发明通过底部着陆机构、缓冲组件以及吸能内芯的配合，使得着陆器在着陆过程中，可以有效的提高着陆装置的抗冲击吸能效果。着陆过程中，吸能内芯通过变形的方式将着陆时产生的冲击动能转化为内能。而缓冲组件则是通过扇形阻尼和阻尼杆之间的配合，将腿部结构所受的轴向力分散，将部分能量转化成摩擦热以及扇形阻尼内部弹簧形变能来吸收冲击动能的。在底部着陆机构中，足垫与内筒相连接的部位通过设置球形铰接，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，底部吸能弹簧的应用更是增加了底部吸能结构的稳定性。

（3）本发明在材料方面采用形状记忆合金，记忆合金本身的高弹性以及形状记忆效应，可以增强探测着陆器的抗冲击及吸能的能力。另一方面在着陆时受到冲击能量过大，使得着陆支撑腿的结构发生塑性形变时，在智能温度控制系统的控制下，依靠合金的形状记忆效应，着陆支腿能够恢复形状。有利于行星探测着陆装置的安全着陆，以及结构后续的回收使用。

（4）本发明吸能内芯仿造鸡蛋壳设计，将吸能内芯的吸能单元体设计为

椭球状镂空结构，吸能托盘设计为波浪状片材。一方面，增强了吸能内芯的吸能能力，另一方面，减轻了吸能内芯的质量。

（5）本发明不仅弥补了传统的着陆器在受到较强冲击后，变形严重导致不可恢复的不足，还通过多级缓冲的设置使得着陆器具备较强的体姿态控制能力和抗冲击的能力。

附图说明

图1为本发明中基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置的整体结构示意图。

图2为本发明中基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置的剖视图。

图3为本发明中基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置着陆底部机构的剖视图。

图4为本发明中基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置上部分的剖视图。

图5为本发明中缓冲组件的结构示意图。

图6为本发明中缓冲组件中扇形阻尼结构示意图。

图7为本发明中吸能内芯的剖视图。

图8为吸能内芯的吸能单元体和吸能托盘的结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图7，一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，包括主缓冲器连接件1、压力传感器组件3、辅助缓冲器连接件4、外筒5、着陆底部机构6、吸能内芯9和缓冲组件8；

所述主缓冲器连接件1上端与主缓冲器连接，主缓冲器连接件1下端通过压力传感器组件3与外筒5上端通过螺栓34连接；

所述的外筒5内部从上至下依次设有吸能内芯9和缓冲组件8，外筒5下端外缘处设有限位环7且外筒5外壁设有辅助缓冲器连接件4；

所述的吸能内芯9包括材质为记忆合金、外形呈椭圆球状、内部镂空且外周均布有多个弧形板的吸能单元体91和外形呈波浪状片材的吸能托盘92，吸能托盘92内还均匀分布有与吸能单元体91上下两接触面相配合的腔体；吸能托盘92作为吸能单元体91的保护层及隔层，形状贴合度好，可以较好的防止吸能单元体91移动；

附图中的吸能单元体91以5个弧形板为例；

缓冲组件8包括阻尼杆81和扇形阻尼82；

所述的阻尼杆81滑动连接在外筒5内部且阻尼杆81上端设置的隔板与吸能托盘92抵触，阻尼杆81下端延伸出外筒5后与着陆底部机构6连接，阻尼杆81中部轴向延伸有规则的凹凸状突起缓冲结构；

多个扇形阻尼82周向等距的焊接在外筒5内壁构成扇形阻尼组，扇形阻尼82内部延其径向向外方向设有多个压缩弹簧821，球头圆柱822设置在扇形阻尼82内部且球头圆柱822首尾两端分别与压缩弹簧821和阻尼杆81上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构配合；通过阻尼杆81上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构和扇形阻尼82之间的摩擦力产生的内能来吸收着陆过程中产生的冲击能量，同时阻尼杆81的移动推动了球头圆柱822向内移动，使得压缩弹簧821发生形变，再次起到吸收冲击能量的作用；

扇形阻尼组可根据实际需要沿外筒5轴向方向延伸设置多组；

所述的着陆底部机构6包括吸能弹簧61、足垫62和球形铰接结构63，所述的足垫62与球形铰接结构63万向铰接，球形铰接结构63上端与阻尼杆81下端固定连接，足垫62周向均匀分布有多个吸能弹簧61，吸能弹簧61首尾两端分别与足垫62和阻尼杆81下端固定连接；

温度控制系统包括设置在外筒5内壁的电热丝，用于吸能内芯9进行加热。当然，本发明也可以用其他类型和记忆温度的形状记忆合金，并非仅限于镍钛合金。具体地，行星表面温度高于记忆合金的记忆温度时，降温冷却后着陆装置将恢复记忆合金形状；反之，行星表面温度低于记忆合金的记忆温度时，通过电热丝对记忆合金进行加热，使其恢复形状。

更进一步而言，所述压力传感器组件3包括压力传感器31、传感器下连接件32和压力膜片33，压力传感器31上端通过压力膜片33与主缓冲器连接件1下端抵触，压力传感器31下端通过传感器下连接件32与与外筒5上端连接。

更进一步而言，所述的扇形阻尼82数量为9个。

更进一步而言，阻尼杆81上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构每一个凸

起缓冲结构的下部斜率为3.5，上部斜率为0.3。

更进一步而言，所述的足垫62底部分布有多个贯穿的足垫孔621。

工作原理及使用过程：

本实例吸能内芯9选用镍钛记忆合金，其记忆效应的原理是材料内部的马氏体和奥氏体的转变产生的。其形状记忆效应可以通过温度激励产生相变。

行星探测着陆装置着陆时受到冲击后，冲击能量首先传递到着陆底部机构6，经由缓冲组件8传递到吸能内芯9。受到冲击时，着陆底部机构6有向内移动的趋势，使得吸能弹簧61形变吸收能量，同时足垫62与阻尼杆81通过球形铰接结构63，使得着陆装置有多个自由度，有利于着陆时保持平稳的着陆姿态。吸能弹簧61到达变形极限后到达限位环71的位置，能量传递给了缓冲组件8。阻尼杆81有向内移动的趋势，扇形阻尼82的球头圆柱822与阻尼杆81上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构相互作用，受到摩擦力产生内能，同时球头圆柱822有向内移动的趋势，使得压缩弹簧821形变吸收能量。阻尼杆81接触到吸能内芯9时，能量传递给了吸能内芯9。吸能单元体91和吸能托盘92受到挤压发生形变将能量缓冲并吸收。经由三次缓冲，使得着陆装置提高抗冲击吸能的能力。

综上，本发明的基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，通过着陆底部机构6、缓冲组件8和吸能内芯9的共同作用，使得行星探测着陆装置具备良好的着陆缓冲吸能性能、姿态调控能力以及形状复原能力。

本发明通过着陆底部机构6中足垫62与阻尼杆81相连接的部位通过设置球形铰接结构63，使得着陆装置有多个自由度，有利于着陆时保持平稳的着陆姿态，同时吸能弹簧61的使用增加了着陆底部机构6的稳定性。另外，缓冲组件8通过多组扇形阻尼82和阻尼杆81的配合使用，使得着陆装置在着陆过程中，通过将冲击动能一部分转化为压缩弹簧821的变形能，另一部分通过阻尼杆81与球头圆柱822的摩擦转化为内能，使得行星探测着陆装置能够很好的起到缓冲吸能的作用。而且阻尼杆81上规则的凹凸状突起缓冲结构采用小斜率设置，其目的是小斜率的设置使得在形状恢复阶段，使用较小的能量就可以将形状恢复。

本发明采用记忆合金作为着陆装置吸能内芯9的材料，记忆合金本身具有高弹性和形状记忆效应，不仅可以增强着陆装置的抗冲击吸能的能力，同时能够在着陆时受的冲击能量过大时，着陆装置吸能内芯9结构发生塑性形变之后，在温度调控系统的辅助下，恢复形状。提高了着陆装置的稳定性和着陆安全性，便于后续的回收利用。

本发明着陆装置的吸能单元9仿照鸡蛋壳外形，将其设计为椭球状镂空结构和波浪状片材，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。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，其特征在于：包括主缓冲器连接件(1)、压力传感器组件(3)、辅助缓冲器连接件(4)、外筒(5)、着陆底部机构(6)、吸能内芯(9)和缓冲组件(8)；

所述主缓冲器连接件(1)上端与主缓冲器连接，主缓冲器连接件(1)下端通过压力传感器组件(3)与外筒(5)上端连接；

所述的外筒(5)内部从上至下依次设有吸能内芯(9)和缓冲组件(8)，外筒(5)下端外缘处设有限位环(7)且外筒(5)外壁设有辅助缓冲器连接件(4)；

所述的吸能内芯(9)包括材质为记忆合金、外形呈椭圆球状、内部镂空且外周均布有多个弧形板的吸能单元体(91)和外形呈波浪状片材的吸能托盘(92)，吸能托盘(92)内还均匀分布有与吸能单元体(91)上下两接触面相配合的腔体；

缓冲组件(8)包括阻尼杆(81)和扇形阻尼(82)；

所述的阻尼杆(81)滑动连接在外筒(5)内部且阻尼杆(81)上端设置的隔板与吸能托盘(92)抵触，阻尼杆(81)下端延伸出外筒(5)后与着陆底部机构(6)连接，阻尼杆(81)中部轴向延伸有规则的凹凸状突起缓冲结构；

多个扇形阻尼(82)周向等距的焊接在外筒(5)内壁构成扇形阻尼组，扇形阻尼(82)内部延其径向方向向外设有多个压缩弹簧(821)，球头圆柱(822)设置在扇形阻尼(82)内部且球头圆柱(822)首尾两端分别与压缩弹簧(821)和阻尼杆(81)上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构配合；通过阻尼杆(81)上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构和扇形阻尼(82)之间的摩擦力产生的内能来吸收着陆过程中产生的冲击能量，同时阻尼杆(81)的移动推动了球头圆柱(822)向内移动，使得压缩弹簧(821)发生形变，再次起到吸收冲击能量的作用；

所述的着陆底部机构(6)包括吸能弹簧(61)、足垫(62)和球形铰接结构(63)，所述的足垫(62)与球形铰接结构(63)万向铰接，球形铰接结构(63)上端与阻尼杆(81)下端固定连接，足垫(62)周向均匀分布有多个吸能弹簧(61)，吸能弹簧(61)首尾两端分别与足垫(62)和阻尼杆(81)下端固定连接；

温度控制系统包括设置在外筒(5)内壁的电热丝，用于对吸能内芯(9)进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，其特征在于：所述压力传感器组件(3)包括压力传感器(31)、传感器下连接件(32)和压力膜片(33)，压力传感器(31)上端通过压力膜片(33)与主缓冲器连接件(1)下端抵触，压力传感器(31)下端通过传感器下连接件(32)与外筒(5)上端连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，其特征在于：所述的扇形阻尼(82)数量为9个。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，其特征在于：所述的阻尼杆(81)上设置的规则的凹凸状突起缓冲结构每一个凸起缓冲结构的下部斜率为3.5，上部斜率为0.3。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆的多级缓冲行星探测着陆装置，其特征在于：所述的足垫(62)底部分布有多个贯穿的足垫孔(621)。

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