CN113830316B - 无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法，该着陆缓冲系统包括飞行器、气囊、着陆底板、绳索与绳索控制机构；着陆底板可拆卸地设在飞行器底部；绳索控制机构包括转轴、蓄能组件与限制组件，转轴转动连接在飞行器上，绳索的一端与着陆底板固定相连，另一端缠绕在转轴上，以在着陆底板下坠时带动转轴正转；蓄能组件设在转轴上，以在转轴正转时蓄能，并在着陆底板着陆后释放能量驱动转轴反转以缠绕的方式回收绳索；限制组件设在转轴上，以在着陆底板着陆后限制转轴，使其仅能反转。本发明应用于飞行器回收领域，在使用过程中能够有效避免飞行器硬着陆和反弹的发生，确保飞行器的安全着陆，且具有很好的通用性，能够适应多种地形。

Description

无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法

技术领域

本发明涉及飞行器回收技术领域，具体是一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法。

背景技术

回收技术是航空航天工程中的一个重要的技术领域。随着航空航天事业的发展，对飞行器安全回收技术的研究日益深入。缓冲气囊装置具有体积小、质量轻、成本低，结构简单、性能可靠，稳定性好的特点，因而在装备空投和飞行器着陆缓冲等领域应用广泛。

虽然气囊结构形式多样，但现有的气囊装置在使用过程中均存在反弹或硬着陆的问题，这都将带来飞行器姿态不可控(如翻滚、倾倒)、二次冲击等危害。对于气囊缓冲系统而言，无硬着陆和无反弹是一对相互矛盾的性能指标，无硬着陆往往意味着反弹，难以同时满足。现有的方法是对气囊的结构参数进行优化设计，以实现缓冲过程的无硬着陆、无反弹。但是，针对不同的工况，需要分别进行优化，通用性不强；另一方面，当着陆工况为非理想工况时，优化后的气囊仍可能会发生硬着陆或反弹，鲁棒性较低。因此，必须从结构设计的角度出发，从根本上解决硬着陆和反弹的问题。在空投用缓冲气囊装置设计领域，有学者提出在气囊装置中增加地锚装置，在着陆过程中，地锚会插入土地中，从而起到防止系统反弹和侧翻的作用。同样，针对不同工况，需要设计不同的地锚尺寸，且无法在山地和多碎石的地面环境使用。因而，需要设计出适用性更强的着陆缓冲系统。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法，在使用过程中能够有效避免飞行器硬着陆和反弹的发生，确保飞行器的安全着陆，且具有很好的通用性，能够适应多种地形。

为实现上述目的，本发明提供一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统，包括飞行器、气囊、着陆底板、绳索与绳索控制机构；

所述气囊固定安装在所述飞行器底部，所述着陆底板可拆卸地设在所述飞行器底部，且所述气囊位于所述飞行器与所述着陆底板之间；

所述绳索控制机构包括转轴、蓄能组件与限制组件，所述转轴转动连接在所述飞行器上，所述绳索的一端与所述着陆底板固定相连，另一端缠绕在所述转轴上，以用于在所述着陆底板下坠时释放所述转轴上的绳索，并带动所述转轴正转；

所述蓄能组件设在所述转轴上，以用于在所述转轴正转时蓄能，并在所述着陆底板着陆后释放能量驱动所述转轴反转以缠绕所述绳索；

所述限制组件设在所述转轴上，以用于在所述着陆底板着陆后限制所述转轴，使所述转轴仅能反转。

在另一种实施方式中，所述绳索控制机构还包括第一壳体，所述第一壳体固定连接在所述飞行器上；

所述转轴的中部通过两个轴承转动连接在所述第一壳体内，所述转轴的两端位于所述第一壳体外，所述蓄能组件位于所述转轴的一端，所述限制组件位于所述转轴的另一端；

所述第一壳体底部具有第一开口，所述绳索的端部经由所述第一开口进入所述第一壳体，并缠绕在所述转轴位于两个所述轴承之间的部分轴体上。

在另一种实施方式中，所述蓄能组件包括第二壳体与卷簧，所述第二壳体固定连接在所述飞行器上；

所述第二壳体上具有第二开口，所述转轴的一端穿过所述第二开口后位于所述第二壳体内，所述卷簧位于所述第二壳体内，且所述卷簧的一端与所述转轴固定相连，另一端与所述第二壳体的内壁固定相连。

在另一种实施方式中，所述限制组件包括棘轮、棘爪与驱动件；

所述棘轮固定套设在所述转轴上，所述棘爪转动连接在所述飞行器上，且所述驱动件与所述棘爪传动相连。

在另一种实施方式中，所述着陆底板通过爆炸螺栓与所述飞行器的底部可拆卸地相连。

为实现上述目的，本发明还提供一种飞行器无反弹着陆方法，采用上述无反弹的飞行器着陆缓冲系统，具体包括如下步骤：

步骤1，飞行器准备着陆且下落到一定的高度时，起爆着陆底板与飞行器之间的爆炸螺栓，使着陆底板与飞行器分离；

步骤2，着陆底板与飞行器分离后快速下坠，在着陆底板下坠过程中对气囊进行充气，同时着陆底板下坠过程中会拉动绳索带动转轴正转，转轴正转带动卷簧逐渐卷紧，即蓄能组件逐渐蓄能；

步骤3，当着陆底板完成着陆或气囊完成充气后，控制棘爪落下并卡住棘轮，使得棘轮不能再正转，即着陆底板与飞行器之间的绳索无法伸长，但可缩短；

步骤4，飞行器自由下落，在卷簧释放弹性势能的过程中，带动转轴反转，使绳索逐渐缠绕转轴，完成绳索回收；

步骤5，气囊接触地面或着陆底板后开始压缩，对飞行器进行缓冲，气囊被压缩到最低位置时，飞行器减速到0，因绳索不能伸长，所以飞行器不能向上运动，因而不会反弹，最终停止，完成着陆。

在另一种实施方式中，在步骤5中，当飞行器完成着陆后，气囊不对外排气，或排气后气囊的排气口仍能关闭，以保证气囊内留有一部分气体，以对飞行器起到弹性支撑的作用，避免飞行器硬着陆。

本发明提供的一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统及飞行器无反弹着陆方法，该着陆缓冲系统通过在飞行器底部设置可拆卸地的着陆底板，并通过绳索连接着陆底板与飞行器，当飞行器着陆过程中使得着陆底板先于飞行器着陆，并在绳索控制机构的作用下，使得绳索在着陆底板着陆后只能缩短但不能伸长，最后当气囊被压缩到最低位置时飞行器减速到0，因绳索不能伸长，所以飞行器不能向上运动，进而能够有效避免飞行器硬着陆和反弹的发生，确保飞行器的安全着陆，且具有很好的通用性，能够适应多种地形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无反弹的飞行器着陆缓冲系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中绳索控制机构的轴测图；

图3为本发明实施例中绳索控制机构的正视图；

图4为本发明实施例中绳索控制机构的剖视图；

图5为本发明实施例中飞行器在步骤1的状态示意图；

图6为本发明实施例中飞行器在步骤2的状态示意图；

图7为本发明实施例中绳索控制机构在步骤3的状态示意图；

图8为本发明实施例中飞行器在步骤5的状态示意图；

图9为本发明实施例的示例中飞行器的速度示意图；

图10为本发明实施例的示例中飞行器的位移示意图。

附图标号：飞行器1、棘爪安装板101、气囊2、着陆底板3、绳索4、绳索控制机构5、转轴501、第一壳体502、轴承503、卷簧504、卷簧盒505、卷簧盖506、棘轮507、棘爪508。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、正、反……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-4所示为本实施例公开的一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统，其主要包括飞行器1、气囊2、着陆底板3、绳索4与绳索控制机构5。气囊2固定设在飞行器1底部，着陆底板3可拆卸地设在飞行器1底部，且气囊2位于飞行器1与着陆底板3之间。参考图1，在飞行器1正常飞行过程中，气囊2被折叠后安装于飞行器1与着陆底板3之间，且气囊2与飞行器1下表面通过螺栓等固定结构相连接使其在缓冲过程中不与飞行器1分离。

绳索控制机构5包括转轴501、蓄能组件与限制组件，转轴501转动连接在飞行器1上，绳索4的一端通过挂扣或锁扣等连接件与着陆底板3固定相连，另一端缠绕在转轴501上，进而当着陆底板3相对于飞行器1下坠时会拉动绳索4使得着陆底板3与飞行器1之间的绳索4长度伸长，这一过程中，由于绳索4的端部缠绕在转轴501上，因此转轴501在绳索4拉力的作用下克服蓄能组件做正向转动。蓄能组件设在转轴501上，以用于在转轴501正转时蓄能。当着陆底板3完成着陆后，飞行器1继续下落，此时绳索4不再对转轴501施加拉力，此时蓄能组件释放之前储存的能力，使得转轴501做反向转动，而在转轴501反向转动的过程中，绳索4又逐渐缠绕在转轴501上，完成绳索4的回收。限制组件设在转轴501上，以用于在着陆底板3着陆后限制转轴501，使转轴501仅能反转。在绳索4回收的过程中，转轴501一直保持反向转动，但当飞行器1开始着陆时，气囊2接触地面或着陆底板3并开始被压缩，气囊2被压缩到最低位置时，飞行器1减速到0，此时在限制组件的作用下转动无法正转，即着陆底板3与飞行器1之间的绳索4无法伸长，所以飞行器1不能向上运动，因而不会反弹，最终飞行器1停止，完成着陆。

绳索控制机构5还包括第一壳体502，第一壳体502通过螺栓固定连接在飞行器1上。转轴501的中部通过两个轴承503支撑转动连接在第一壳体502内，转轴501的两端位于第一壳体502外，蓄能组件位于转轴501的一端，限制组件位于转轴501的另一端。第一壳体502底部具有第一开口，绳索4的端部经由第一开口进入第一壳体502，并缠绕在转轴501位于两个轴承503之间的部分轴体上。在具体实施过程中，第一壳体502为“门”型结构，两个轴承503分别设置在第一壳体502的两个竖板上。

蓄能组件包括第二壳体与卷簧504，第二壳体通过螺栓固定连接在飞行器1上。第二壳体上具有第二开口，转轴501的一端穿过第二开口后位于第二壳体内，卷簧504位于第二壳体内，且卷簧504的一端与转轴501固定相连，另一端与第二壳体的内壁固定相连。在具体实施过程中，第二壳体包括配置的卷簧盒505与卷簧盖506，卷簧盒505通过螺栓固定连接在飞行器1上，第二开口开设在卷簧盒505上，且第二开口与转轴501之间为间隙配合，以便于转轴501的转动。卷簧504安装在卷簧盒505内，卷簧504的一端与旋转轴501固定相连，另一端固定在卷簧盒505的内侧壁上，因卷簧盒505安装在飞行器1上，所以卷簧盒505固定不动，转轴501正转时将压缩卷簧504。卷簧盖506安装在卷簧盒505上，防止卷簧504弹出。

限制组件包括棘轮507、棘爪508与驱动件，其中驱动件并未图示。棘轮507固定套设在转轴501上，飞行器1上通过螺栓固定连接在棘爪安装板101，棘爪508转动连接在棘爪安装板101上，且驱动件与棘爪508传动相连。在初始状态时棘爪508与棘轮507分离，当棘爪508落下后将卡住棘轮507使其不能正转，即绳索4不能再伸长。

需要注意的是，就本实施例中的图示而言，转轴501的正转为逆时针转动，反转为正时针转动。

在具体实施过程中，着陆底板3通过爆炸螺栓与飞行器1的底部可拆卸地相连。

在具体实施过程中，对于气囊2而言，从构型上来说，可以是圆柱形、球形、方形等基本构型，也可以根据飞行器1的外形进行设计。从缓冲机理上来说，可以是密闭型气囊，也可以是组合型气囊或排气型气囊的，其中，密闭型气囊指的是充气后无法排气的气囊，排气型气囊指的是具有排气阀或排气口，可进行排序型的气囊；组合型气囊即密闭型气囊与排气型气囊的组合，例如在排气型气囊内设置一个或多个小的密闭型气囊等。

基于上述无反弹的飞行器着陆缓冲系统，本实施例还公开了一种飞行器1无反弹着陆方法，具体包括如下步骤：

步骤1，参考图5，当飞行器1准备着陆且下落到一定的高度h时，起爆着陆底板3与飞行器1之间的爆炸螺栓，使着陆底板3与飞行器1分离；

步骤2，着陆底板3与飞行器1分离后快速下坠，在着陆底板3下坠过程中对气囊2进行充气，同时着陆底板3下坠过程中会拉动绳索4带动转轴501正转，转轴501正转带动卷簧504逐渐卷紧，即蓄能组件逐渐蓄能，即图6所示；

步骤3，当着陆底板3完成着陆或气囊2完成充气后，控制棘爪508落下并卡住棘轮507，使得棘轮507不能再正转，即着陆底板3与飞行器1之间的绳索4无法伸长，但可缩短，即图7所示；

步骤4，飞行器1自由下落，在卷簧504释放弹性势能的过程中，带动转轴501反转，使绳索4逐渐缠绕转轴501，完成绳索4回收；

步骤5，气囊2接触地面或着陆底板3后开始压缩，对飞行器1进行缓冲，气囊2被压缩到最低位置时，飞行器1减速到0，因绳索4不能伸长，所以飞行器1不能向上运动，因而不会反弹，最终停止，完成着陆，即图8所示。因为无反弹，飞行器1发生侧翻的情况也大大减少。当飞行器1完成着陆后，气囊2不对外排气，或排气后气囊2的排气口仍能关闭，以保证气囊2内留有一部分气体，以对飞行器1起到弹性支撑的作用。

下面结合具体的示例对本实施例方案作进一步地说明。

一个小型飞行器1，总质量为500.0kg，其下方安装有1块着陆底板3，由4条绳索4牵引，4条绳索4分别由4个绳索控制机构5控制。飞行器1距离地面约4.0m时，放下着陆底板3，同时卧式圆柱形气囊2开始充气，充气完成后，棘爪508落下。同时，飞行器1自由下落。圆柱形气囊2横截面直径为1.0m，则充气完成后气囊2距地面高度约为3.0m，则自由下落后气囊2触地时，飞行器1的速度约为7.67m/s。然后，气囊2被压缩，有效载荷速度不断降低，压缩到最低位置时，飞行器1速度减为0，由于气囊2不对外排气，且棘爪508卡住了棘轮507，使绳索4只能缩短，不能伸长，因此飞行器1停在最低位置。通过仿真计算，得到着陆过程中飞行器1的速度和位移分别如图9和10所示，0.882s后飞行器1停止不动，无反弹、无硬着陆。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种无反弹的飞行器着陆缓冲系统，其特征在于，包括飞行器、气囊、着陆底板、绳索与绳索控制机构；

所述气囊固定安装在所述飞行器底部，所述着陆底板可拆卸地设在所述飞行器底部，且所述气囊位于所述飞行器与所述着陆底板之间；

所述绳索控制机构包括转轴、蓄能组件与限制组件，所述转轴转动连接在所述飞行器上，所述绳索的一端与所述着陆底板固定相连，另一端缠绕在所述转轴上，以用于在所述着陆底板下坠时释放所述转轴上的绳索，并带动所述转轴正转；

所述蓄能组件设在所述转轴上，以用于在所述转轴正转时蓄能，并在所述着陆底板着陆后释放能量驱动所述转轴反转以缠绕的方式回收所述绳索；

所述限制组件设在所述转轴上，以用于在所述着陆底板着陆后限制所述转轴，使所述转轴仅能反转；

所述蓄能组件包括第二壳体与卷簧，所述第二壳体固定连接在所述飞行器上；

所述第二壳体上具有第二开口，所述转轴的一端穿过所述第二开口后位于所述第二壳体内，所述卷簧位于所述第二壳体内，且所述卷簧的一端与所述转轴固定相连，另一端与所述第二壳体的内壁固定相连；

所述限制组件包括棘轮、棘爪与驱动件；

所述棘轮固定套设在所述转轴上，所述棘爪转动连接在所述飞行器上，且所述驱动件与所述棘爪传动相连。

2.根据权利要求1所述无反弹的飞行器着陆缓冲系统，其特征在于，所述绳索控制机构还包括第一壳体，所述第一壳体固定连接在所述飞行器上；

所述转轴的中部通过两个轴承转动连接在所述第一壳体内，所述转轴的两端位于所述第一壳体外，所述蓄能组件位于所述转轴的一端，所述限制组件位于所述转轴的另一端；

所述第一壳体底部具有第一开口，所述绳索的端部经由所述第一开口进入所述第一壳体，并缠绕在所述转轴位于两个所述轴承之间的部分轴体上。

3.根据权利要求1或2所述无反弹的飞行器着陆缓冲系统，其特征在于，所述着陆底板通过爆炸螺栓与所述飞行器的底部可拆卸地相连。

4.一种飞行器无反弹着陆方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述无反弹的飞行器着陆缓冲系统，具体包括如下步骤：

步骤1，飞行器准备着陆且下落到一定的高度时，起爆着陆底板与飞行器之间的爆炸螺栓，使着陆底板与飞行器分离；

步骤2，着陆底板与飞行器分离后快速下坠，在着陆底板下坠过程中对气囊进行充气，同时着陆底板下坠过程中会拉动绳索带动转轴正转，转轴正转带动卷簧逐渐卷紧，即蓄能组件逐渐蓄能；

步骤3，当着陆底板完成着陆或气囊完成充气后，控制棘爪落下并卡住棘轮，使得棘轮不能再正转，即着陆底板与飞行器之间的绳索无法伸长，但可缩短；

步骤4，飞行器自由下落，在卷簧释放弹性势能的过程中，带动转轴反转，使绳索逐渐缠绕转轴，完成绳索回收；

步骤5，气囊接触地面或着陆底板后开始压缩，对飞行器进行缓冲，气囊被压缩到最低位置时，飞行器减速到0，因绳索不能伸长，所以飞行器不能向上运动，因而不会反弹，最终停止，完成着陆。

5.根据权利要求4所述飞行器无反弹着陆方法，其特征在于，在步骤5中，当飞行器完成着陆后，气囊不对外排气，或排气后气囊的排气口仍能关闭，以保证气囊内留有一部分气体，以对飞行器起到弹性支撑的作用，避免硬着陆。