一种具备地形自适应能力的软着陆装置及其着陆缓冲方法与流程

本发明属于航天器结构与机构技术领域，涉及一种具有地形自适应及姿态自恢复能力的软着陆装置及着陆过程设计，具体是一种具备地形自适应能力的软着陆装置及其着陆缓冲方法。

背景技术：

地外星体星表探测器着陆缓冲装置主要用于吸收着陆器触地冲击能量并在缓冲完成后实现对本体的支撑。传统的着陆缓冲机构主要有倒三角式和悬臂式两种，均以铝蜂窝作为缓冲压溃材料。例如：著名的阿波罗11号和嫦娥系列探月着陆器为悬臂梁式结构；苏联时期的luna16为倒三角式。悬臂式和倒三角式的着陆缓冲装置结构简单，安全性及可靠性较高。

在未来的深空星表探测任务中，为研究地外行星的演化过程及星表物质组成，着陆区域的选择变得越来越重要，拥有更多深层物质出露的撞击坑边缘、山脉坡地、碎石区域等是理论上的理想探测点。但受制于当前主流的着陆缓冲装置的功能局限，为了保证着陆过程的安全性，目前大部分的探月、探火等任务都会选择在地势平坦且无碎石的区域实施星表着陆任务，只能通过释放所携带的轮式巡视器实现对着陆点周边区域的探测，但范围非常有限，明显提高了探测器本体结构与机构设计的复杂程度，降低了可靠性，并极大限制了相关任务的科学回报率。

由此可知，作为前往月球、火星等地外星体在更具科学价值的区域开展深度探测活动的技术基础和硬件保障，设计一种具备地形自适应及着陆后姿态自恢复能力的软着陆装置，必然会成为未来深空探测着陆器的一项设计要求。至此，本发明的技术应运而生。

技术实现要素：

为了解决上述传统着陆器在星表复杂地形区域无法安全、可靠实现着陆缓冲，且在完成着陆缓冲后无法调姿的技术缺陷，本发明提出了一种具有地形自适应及姿态自恢复能力的软着陆装置，并完成了其着陆过程的设计。

本发明是这样实现的：

一种具备地形自适应能力的软着陆装置，其特征在于，所述的软着陆装置包括着陆器本体框架，以及着陆器本体框架周围均匀设置的若干着陆腿组件，本发明中设置四组着陆腿组件；所述的着陆腿组件包括缓冲驱动一体化支柱，所述的缓冲驱动一体化支柱自上而已依次包括第一电机架、上承力筒、上筒套、下承力筒以及下承力筒下端设置的下筒套；所述的缓冲驱动一体化支柱上的第一电机架与着陆器本体框架之间活动设置有爆炸螺栓组件；所述的缓冲驱动一体化支柱上的上筒套与着陆器本体框架之间设置有上支架组件；所述的上支架组件端部与本体框架的底部设置有中间伸缩支柱组件；所述的缓冲驱动一体化支柱上的下套筒与着陆器本体框架之间设置有具有驱动功能的双向缓冲器组件；所述的缓冲驱动一体化支柱的下承力筒底端设置缓冲足垫。

进一步，所述的缓冲驱动一体化支柱还包括第一电机、同步带轮、丝杠、一级、卡柱、第二电机、齿轮、齿条、丝杠螺母、二级上、卡筒、第一伸缩式电磁阀、二级下、第二伸缩式电磁阀、铝蜂窝、三级；所述的第一电机通过螺栓固定于第一电机架上，第一电机架固定于上承力筒的上端，两个同步带轮分别固定于第一电机和丝杠上；所述的上承力筒和下承力筒通过螺栓固结；上筒套固定于上承力筒上，下筒套固定于下承力筒上。

进一步，所述的缓冲驱动一体化支柱内部采用中心对称结构；所述的缓冲驱动一体化支柱内部自上而下设置一级、二级上、二级下、三级；所述的一级下端固定有丝杠螺母及卡柱；第二电机固定于一级上端，第二电机上安装有齿轮；齿条、卡筒和第一伸缩式电磁阀固定于二级上的上端，二级上固定于二级下的上端，其中二级下有上下两层，上层较小，内部固定有两个朝外的第二伸缩式电磁阀，下层填充有铝蜂窝，铝蜂窝和三级直接接触；所述的一级上还加工有矩形凸起配合下承力筒的限位槽阻止一级轴向转动，一级上还加工有矩形通孔以使齿条可在其中穿梭，卡柱和卡筒上加工有第二限位孔，使得第一伸缩式电磁阀的销可在其中伸缩，二级下的上层侧面加工有通孔，配合下承力筒的拦阻孔，使得第二伸缩式电磁阀的销可在其中伸缩。

进一步，所述的爆炸螺栓组件包括上连接件、爆炸螺栓和下连接件；所述的上连接件固定于本体框架上，下连接件固定于缓冲驱动一体化支柱上的第一电机架顶端；所述的爆炸螺栓与上连接件和下连接件分别铰接，通过爆炸螺栓的连接和爆炸断开实现着陆腿的收缩和释放。

进一步，所述的具有驱动功能的双向缓冲器组件包括第一十字万向节、具有驱动功能的双向缓冲器和第二十字万向节，其中第一十字万向节一端固定于本体框架；所述的第二十字万向节一端固定于下筒套，具有驱动功能的双向缓冲器连接于第一十字万向节和第二十字万向节之间。

进一步，所述的中间伸缩支柱组件包括上铰链、伸缩外筒、伸缩内柱、弹簧销、受拉弹簧和下铰链；所述的上铰链一端固定于上支架组件的下侧，下铰链固定于本体框架上；所述的上铰链、下铰链之间依次设置伸缩外筒、弹簧销、伸缩内柱；受拉弹簧两端分别焊接于弹簧销一侧和伸缩内柱一侧；伸缩内柱上加工有第一限位孔，通过弹簧销可实现着陆腿展开后的锁定。

进一步，所述的上支架组件包括v形支架、止推轴承和铰链，其中第一十字万向节固定于本体框架上，v形支架的分叉一侧连接于第一十字万向节上，v形支架的另一侧内凹处固定有止推轴承，铰链连接于止推轴承上，可使铰链沿止推轴承的轴向转动；所述的v形支架的分叉长度与具有驱动功能的双向缓冲器的长度一致，可使得着陆腿展开后在理想条件下缓冲驱动一体化支柱与水平地面基本垂直。

进一步，所述的缓冲足垫包括球铰链、足垫和激光测距传感器；所述的球铰链的一端固定于缓冲驱动一体化支柱的三级，另一端固定于足垫上，所述的激光测距传感器固定于足垫侧端。

本发明还公开了一种具备地形自适应能力的软着陆装置的着陆缓冲方法，其特征在于，所述的方法包括以下过程：

1)快速下降段：探月着陆器与环绕器分离后开始执行着陆程序，在接近月表时，当本体姿态俯仰角相对月表接近0°时，四组爆炸螺栓同时被引爆，爆炸给予着陆腿一个微小的推动力并解锁，在月球重力和受拉弹簧拉力作用下展开，此时的中间伸缩支柱组件的伸缩外筒相对伸缩内柱收缩，在收缩到限定位置后弹簧销组件中的销被弹出到伸缩内柱的第一限位孔内，实现着陆腿的展开锁定；

2)缓慢下降段：当着陆器距月表30m到4m的区域时，以较小速度垂直下降，其中第二伸缩式电磁阀的工作模式为断电常伸出，二级下与下承力筒常锁死，在缓慢下降段时第二伸缩式电磁阀通电缩回，二级下可在下承力筒内做相对运动，本体姿态传感器和激光测距传感器来实时监测着陆器本体姿态和每个足垫距地表的竖直距离，一级上的两个第二电机通过驱动齿轮带动齿条使二级上、二级下和三级上下移动，以适应月表的凸起和凹陷，其中齿条相对于一级的单次位移量均为下承力筒上两个相邻拦阻孔距离的整数倍，在距月表4m时，垂直速度减为0，第二伸缩式电磁阀断电伸出，下承力筒和二级下锁死；此时足垫下方月表若凹陷，则二级上、二级下、三级和缓冲足垫整体相对缓冲驱动一体化支柱有适当伸出，相反的，若足垫下方月表有凸起，则二级上、二级下、三级和缓冲足垫整体相对缓冲驱动一体化支柱有适当收缩，此时四条着陆腿相对本体已最大程度适应地形，着陆器自由落体；

3)触地缓冲：二级下内部填充的铝蜂窝被压溃，吸收竖直方向冲击能量，同时每条着陆腿上两套具有驱动功能的双向缓冲器为缓冲模式，吸收水平冲击能量，从而完成着陆缓冲；

4)本体姿态自恢复段：由于着陆器重心、触地时姿态、地形等的影响，着陆后的本体姿态及周边地形可能不利于仪器设备的部署或转移机构将巡视器送到星表，故调整本体姿态，这里的第一伸缩式电磁阀的工作模式为断电常伸出，此时第一电机通过丝杠驱动一级向二级上缓慢靠近，第一伸缩式电磁阀通电收缩，卡柱缓慢插到卡筒中，到达限定位置后，第一伸缩式电磁阀断电伸出，销插到卡柱和卡筒的第二限位孔中，一级和二级上锁死，第二伸缩式电磁阀通电收缩，二级下与下承力筒重新解锁，以地面为支撑，第一电机通过丝杠驱动一级和二级上、二级下相对下承力筒滑移，其最终的相对滑移距离同样为下承力筒上两个相邻拦阻孔距离的整数倍，与此同时，带有驱动功能的双向缓冲器为驱动模式，驱动伸缩配合缓冲驱动一体化支柱实现着陆后的姿态自恢复，调姿完成后第二伸缩式电磁阀断电伸出，二级下与下承力筒再次锁死，姿态自恢复完成；

5)部署着陆器上的仪器设备，转移机构展开，巡视器缓慢运行到星表。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1)在进入着陆程序前四条着陆腿通过爆炸螺栓组件约束处于收缩状态，有效减小了空间体积的占用；

2)通过第二电机驱动齿轮、齿条来使二级(包括二级上、二级下)、三级和缓冲足垫整体相对本体上下移动可实现对星表地形的快速自适应；

3)具有驱动功能的双向缓冲器在驱动模式下配合缓冲驱动一体化支柱的调姿模式实现着陆后本体姿态的调整，最大程度保证仪器设备和巡视器的安全部署；

4)本发明包括着陆器本体和四组均布在本体周围的着陆腿组件，每组着陆腿组件由一套负责着陆腿收拢展开的锁定解锁组件、一套缓冲驱动一体化主支柱组件、一套上支架组件、两套具有驱动功能的双向缓冲器组件和一套中间伸缩支柱组件组成。锁定解锁组件是一种爆炸螺栓连接装置，使处于收拢状态的着陆腿压缩在着陆器本体外侧以满足运载火箭整流罩内的空间包络约束，并在星表着陆前爆破解锁，实现着陆腿组件的展开；缓冲/驱动一体化主支柱组件可在触地前几秒自主调整长度实现对星表地形的自适应，并可在完成缓冲功能后实现驱动调姿；具有驱动功能的双向缓冲器组件可实现着陆器对触地瞬间横向速度的适应能力，并在缓冲完成后配合缓冲/驱动一体化主支柱组件实现着陆器姿态的自恢复；中间伸缩支柱组件提高了展开后的着陆腿与着陆器本体之间桁架的刚度，同时也通过储能-释能的方式实现着陆腿组件的被动展开。本发明结构设计合理，性能可靠，可使着陆器具备对非确定性星表地形的自适应能力和缓冲后着陆器本体的星表调姿能力，明显提高了星表着陆过程的安全性，进而提高任务成功率。

附图说明

图1为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的主视图；

图2为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置中着陆腿收缩状态示意图；图3为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的爆炸螺栓组件示意图；

图4为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置中具有驱动功能的双向缓冲器组件示意图；

图5为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的中间伸缩支柱组件示意图；

图6为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的伸缩内柱加工的限位孔位置示意图；

图7为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的弹簧销被压缩和弹出后示意图；

图8为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的缓冲驱动一体化支柱外观图；

图9为缓冲驱动一体化支柱的内部结构的一级示意图；

图10为缓冲驱动一体化支柱的内部结构的三级示意图；

图11为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的下承力筒上限位槽和拦阻孔示意图；

图12为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的上支架组件示意图；

图13为本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的缓冲足垫示意图；

其中，100-着陆器本体框架，200-爆炸螺栓组件，300-具有驱动功能的双向缓冲器组件，400-中间伸缩支柱组件，500-缓冲驱动一体化支柱，600-上支架组件和700-缓冲足垫，201-上连接件，202-爆炸螺栓，203-下连接件，301-第一十字万向节，302-具有驱动功能的双向缓冲器和303-第二十字万向节，401-上铰链，402-伸缩外筒，403-伸缩内柱，404-弹簧销，405-受拉弹簧，406-下铰链，501-第一电机，502-第一电机架，503-同步带轮，504-丝杠，505-上承力筒，506-下承力筒，507-一级，508-卡柱，509-第二电机，510-齿轮，511-齿条，512-丝杠螺母，513-二级上，514-卡筒，515-第一伸缩式电磁阀，516-二级下，517-第二伸缩式电磁阀，518-铝蜂窝，519-三级，521-上筒套，522-下套筒，601-v形支架，602-止推轴承，603-第一铰链，701-第二铰链，702-足垫，703-激光测距传感器，801-第一限位孔，802-矩形凸起，803-矩形通孔，804-第二限位孔，805-通孔，806-限位槽，807-拦阻孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～2所示，本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置，主要包括着陆器本体框架100、爆炸螺栓组件200、具有驱动功能的双向缓冲器组件300、中间伸缩支柱组件400、缓冲驱动一体化支柱500、上支架组件600和缓冲足垫700；其中爆炸螺栓组件200直接连接着陆器本体框架100和缓冲驱动一体化支柱500，上支架组件600连接于本体框架100和缓冲驱动一体化支柱500的上筒套521间，具有驱动功能的双向缓冲器组件300连接于本体框架100和缓冲驱动一体化支柱500的下筒套522间，中间伸缩支柱组件400连接于本体框架100和上支架组件600，缓冲足垫700通过球第二铰链701连接于缓冲驱动一体化支柱500下端。

如图3所示，本发明中的爆炸螺栓组件200主要包括上连接件201、爆炸螺栓202和下连接件203，上连接件固定于本体框架100上，下连接件固定于缓冲驱动一体化支柱500上端，爆炸螺栓202与上连接件201和下连接件203分别铰接，通过爆炸螺栓202的连接和爆炸断开实现着陆腿的收缩和释放。

如图4所示，本发明中的具有驱动功能的双向缓冲器组件300包括第一十字万向节301、具有驱动功能的双向缓冲器302和第二十字万向节303，其中第一十字万向节301固定于本体框架100，第二十字万向节303固定于下筒套522，具有驱动功能的双向缓冲器302连接于第一十字万向节301和第二十字万向节303之间。

如图5～7所示，本发明中的中间伸缩支柱组件400主要包括上铰链401、伸缩外筒402、伸缩内柱403、弹簧销404、受拉弹簧405和下铰链406，其中的上铰链401固定于v形支架601下侧，伸缩外筒402连接于上铰链401，弹簧销404固定于伸缩外筒402上，伸缩内柱403连接于下铰链406，下铰链406固定于本体框架100上，受拉弹簧405两端分别焊接于弹簧销404一侧和伸缩内柱403一侧。

弹簧销404内部有两个小型销件，伸缩内柱403上加工有第一限位孔801，当伸缩外筒402未达到锁定限定位置时，伸缩内柱403顶着销件，到达限定位置后，销件被弹簧弹到第一限位孔801中，伸缩内柱403和伸缩外筒402相对锁定，着陆腿已展开并被锁定；

如图8～11所示，本发明中的缓冲驱动一体化支柱500内部采用了中心对称结构，主要包括第一电机501、第一电机架502、同步带轮503、丝杠504、上承力筒505、下承力筒506、一级507、卡柱508、第二电机509、齿轮510、齿条511、丝杠螺母512、二级上513、卡筒514、第一伸缩式电磁阀515、二级下516、第二伸缩式电磁阀517、铝蜂窝518、三级519、上筒套521和下套筒522，其中第一电机501通过螺栓固定于第一电机架502上，第一电机架502固定于上承力筒505上，两个同步带轮503分别固定于第一电机501和丝杠504上，上承力筒505和下承力筒506通过螺栓固结，一级507下端固定有丝杠螺母512及卡柱508，第二电机509固定于一级507上端，第二电机509上安装有齿轮510，齿条511、卡筒514和第一伸缩式电磁阀515固定于二级上513的上端，二级上513固定于二级下516的上端，其中二级下516有上下两层，上层较小，内部固定有两个朝外的第二伸缩式电磁阀517，下层填充有铝蜂窝518，铝蜂窝518和三级519直接接触，上筒套521固定于上承力筒505上，下筒套522固定于下承力筒506上。

一级507上加工有矩形凸起802配合下承力筒506的限位槽806阻止一级507轴向转动，一级507上还加工有矩形通孔803以使齿条511可在其中穿梭，卡柱508和卡筒514上加工有第二限位孔804，使得第一伸缩式电磁阀505的销可在其中伸缩实现一级507和二级上513的锁定，二级下516的上层侧面加工有通孔805，配合下承力筒522的拦阻孔807，使得第二伸缩式电磁阀517的销在其中伸缩实现二级下516和下承力筒506的锁定，拦阻孔807为长圆孔，此设计是为了防止电机驱动结束后产生的微小位移误差使第二伸缩式电磁阀517的销无法伸出导致二级下516和下承力筒506间锁定失败，但两个半圆圆心距不宜过长。

如图12所示，本发明中的上支架组件600主要包括v形支架601、止推轴承602和第一铰链603，其中第一十字万向节301固定于本体框架100上，v形支架601的分叉一侧连接于第一十字万向节301上，v形支架601的另一侧内凹处固定有止推轴承602，第一铰链603连接于止推轴承602上，可使第一铰链603沿止推轴承602的轴向转动。

如图13所示，缓冲足垫700包括球第二铰链701、足垫702和激光测距传感器703，其中球第二铰链701的一端固定于缓冲驱动一体化支柱500的三级519，另一端固定于足垫702上，激光测距传感器703固定于足垫702侧端。

本发明一种具备地形自适应能力的软着陆装置的着陆缓冲方法，包括以下步骤：

1)快速下降段：探月着陆器与环绕器分离后开始执行着陆程序，在接近月表时，当本体姿态俯仰角相对月表接近0°时，四个爆炸螺栓202同时被引爆，爆炸给予着陆腿一个微小的推动力并解锁，在月球重力和受拉弹簧405拉力作用下展开，此时的中间伸缩支柱组件400的伸缩外筒402相对伸缩内柱403收缩，在收缩到限定位置后弹簧销组件404中的销被弹出到伸缩内柱403的第一限位孔801内，实现着陆腿的展开锁定；

2)缓慢下降段：当着陆器距月表30m到4m的区域时，以较小速度垂直下降，其中第二伸缩式电磁阀517的工作模式为断电常伸出，二级下516与下承力筒506常锁死，在缓慢下降段时第二伸缩式电磁阀517通电缩回，二级下516可在下承力筒506内做相对运动，本体姿态传感器和激光测距传感器703来实时监测着陆器本体姿态和每个足垫702距地表的竖直距离，一级507上的两个第二电机509通过驱动齿轮510带动齿条511使二级包括二级上513、二级下517和三级519上下移动，以适应月表的凸起和凹陷，其中齿条511相对于一级507的单次位移量均为下承力筒506上两个相邻拦阻孔807距离的整数倍，在距月表4m时，垂直速度减为0，第二伸缩式电磁阀518断电伸出，下承力筒506和二级下516锁死；此时足垫下方月表若凹陷，则二级包括二级上513、二级下516、三级519和缓冲足垫700整体相对缓冲驱动一体化支柱500有适当伸出，相反的，若足垫下方月表有凸起，则二级包括二级上513、二级下516、三级519和缓冲足垫600整体相对缓冲驱动一体化支柱500有适当收缩，此时四条着陆腿相对本体已最大程度适应地形，着陆器自由落体；

3)触地缓冲：二级下516内部填充的铝蜂窝518被压溃，吸收竖直方向冲击能量，同时每条着陆腿上两套具有驱动功能的双向缓冲器302为缓冲模式，吸收水平冲击能量，从而完成着陆缓冲；

4)本体姿态自恢复段；由于着陆器重心、触地时姿态、地形等的影响，着陆后的本体姿态及周边地形可能不利于仪器设备的部署或转移机构将巡视器送到星表，故需要适当调整本体姿态，这里的第一伸缩式电磁阀515的工作模式为断电常伸出，此时第一电机501通过丝杠504驱动一级507向二级上513缓慢靠近，第一伸缩式电磁阀515通电收缩，卡柱508缓慢插到卡筒514中，到达限定位置后，第一伸缩式电磁阀515断电伸出，销插到卡柱508和卡筒514的第二限位孔804中，一级507和二级上513锁死，第二伸缩式电磁阀517通电收缩，二级下516与下承力筒506重新解锁，以地面为支撑，第一电机501通过丝杠504驱动一级507和二级包括二级上513、二级下516相对下承力筒506滑移，其最终的相对滑移距离同样为下承力筒506上两个相邻拦阻孔807距离的整数倍，与此同时，带有驱动功能的双向缓冲器302为驱动模式，驱动伸缩配合缓冲驱动一体化主支柱500实现着陆后的姿态自恢复，调姿完成后第二伸缩式电磁阀517断电伸出，二级下516与下承力筒506再次锁死，姿态自恢复完成；

5)部署着陆器上的仪器设备，转移机构展开，巡视器缓慢运行到星表。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。