一种充气展开式小行星着陆吸附机构及工作方法

技术领域

本发明涉及小行星充气式着陆器的机械系统技术领域，具体涉及一种充气展开式小行星着陆吸附机构及工作方法。

背景技术

小行星表面引力小，大部分小行星在历经长时间的宇宙风化过程后，其表面多为碎石堆环境，难以选择合适的着陆场。着陆过程中，探测器与小行星表面产生冲击，其反弹速度可能超过逃逸速度而导致探测器着陆失败。着陆后探测器对小行星表面进行取样钻采与挖掘等操作时，操作力可能导致探测器飞离小行星。

但是现有技术中的，附着装置的影响因素较多、可靠性低，并且无法多次利用，这一方面导致了探测器一旦附着失败将极大影响整个探测任务的顺利进行，另一方面也使得探测器无法在小行星表面多点附着从而限制了探测范围，从而影响探测器在复杂场景下的着陆。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的探测器在小行星表面复杂场景的着陆，从而提供一种探测器主体可以实现稳定的着陆，即使在小行星表面环境复杂的情况下，也可以实现该探测器主体的稳定着陆的充气展开式小行星着陆吸附机构及工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种充气展开式小行星着陆吸附机构，包括：探测器主体；吊舱，所述吊舱设于所述探测器主体的底部，且在所述吊舱内设有多个辊筒，多个所述辊筒首尾连接；充气臂，缠绕在所述辊筒上，所述充气臂具有收卷状态和从吊舱伸出的展开状态，所述充气臂包括支撑气囊和充气夹环，所述充气夹环设于所述支撑气囊上；充气罐，设于所述吊舱内，所述充气罐与所述充气臂连接；驱动机构，与所述辊筒连接，所述驱动机构驱动所述辊筒转动，以驱动所述充气臂在收卷状态和展开状态之间切换。

进一步地，还包括连接结构，所述连接结构设于首尾相连的两个辊筒之间。

进一步地，所述连接结构为两个相互啮合设置的锥齿轮。

进一步地，所述充气臂的内壁设有金属复合材料制作而成的支撑结构，所述支撑结构位于所述充气臂的自由端。

进一步地，所述支撑结构具有两组，两组所述支撑结构均倾斜设置，且两组所述支撑结构的倾斜方向相反，并具有交点。

进一步地，还包括第一充气管路，所述第一充气管路与充气罐和支撑气囊连通。

进一步地，还包括第二充气管路，所述第二充气管路与所述充气罐与充气夹环连通。

进一步地，所述充气夹环充气后呈碗状结构。

进一步地，所述辊筒的个数为四个。

本发明还提供了充气展开式小行星着陆吸附机构的工作方法，包括：当探测器主体在轨道上运行时，充气臂卷曲缠绕于辊筒并收纳在吊舱内；当探测器主体接近小行星表面时，辊筒转动并释放出支撑气囊，支撑气囊释放后，由充气罐对支撑气囊进行充气，使支撑气囊展开，此时不对充气夹环进行充气；展开的支撑气囊触碰到小行星表面后，通过辊筒转动可以改变支撑气囊与吊舱的夹角，以适应不同的地形，对支撑气囊夹角的主动控制也有缓冲竖直方向速度的作用，同时展开气囊本身具有柔性，也能对着陆进行缓冲；当探测器主体相对小行星表面的速度减小到一定范围后，对支撑气囊上的充气夹环进行充气，小行星表面具有碎石堆形貌的结构，充气夹环充气前可以贴合于碎石表面、充气夹环充气后展开为碗状结构，碎石的凹陷或凸起处可以嵌入、钩挂到碗口内。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构，包括：探测器主体；吊舱，所述吊舱设于所述探测器主体的底部，且在所述吊舱内设有多个辊筒，多个所述辊筒首尾连接；充气臂，缠绕在所述辊筒上，所述充气臂具有收卷状态和从吊舱伸出的展开状态，所述充气臂包括支撑气囊和充气夹环，所述充气夹环设于所述支撑气囊上；充气罐，设于所述吊舱内，所述充气罐与所述充气臂连接；驱动机构，与所述辊筒连接，所述驱动机构驱动所述辊筒转动，以驱动所述充气臂在收卷状态和展开状态之间切换。

通过在探测器主体的底部设置吊舱，即可以在该吊舱的内部设置多个辊筒，通过辊筒的设置，可以将充气臂缠绕在该辊筒上，从而便于该充气臂的收卷和展开。当探测器主体在轨道上运行时，充气臂卷曲缠绕于辊筒并收纳在吊舱内，则充气臂包括的支撑气囊和充气夹环均处于收卷状态，即收卷在辊筒上。同时，由于多个辊筒为首尾连接，因为，只需要一个驱动机构即可驱动所有辊筒的转动，实现充气臂的收卷与张开。当探测器主体接近小行星表面时，辊筒转动，充气罐为支撑气囊充气，使得支撑气囊展开；在支撑气囊触碰到小行星表面后，开始对充气夹环进行充气，由于小行星表面具有碎石堆形貌的结构，充气夹环充气前可以贴合于碎石表面、充气夹环充气后展开为碗状结构，可以嵌入碎石的凹陷或凸起处、钩挂到碗口内，从而实现了该充气展开式小行星着陆吸附机构的顺利着陆。

由于在探测器主体的底部设置吊舱，并且在该充气吊舱的内部设置辊筒和驱动机构，以及充气罐，该充气臂缠绕在辊筒上，同时充气壁还与辊筒连接，从而在着陆时，通过展开充气臂，使得支撑气囊与小行星表面接触，再利用充气夹环与嵌入碎石的凹陷或凸起处、钩挂到充气夹环的碗口内，使得探测器主体可以实现稳定的着陆，即使在小行星表面环境复杂的情况下，也可以实现该探测器主体的稳定着陆。

支撑气囊的刚度可调且具有柔顺性，能够减小着陆器的冲击和振动；支撑气囊对小行星表面的平整度要求较低，可以适应星表碎石堆环境；支撑气囊质量轻，非工作时由充气吊舱收纳，着陆时气囊展开，对探测器的能量消耗较小，适用于深空探测。充气夹环可以夹持小行星表面不同尺寸的岩块，为着陆器提供稳定吸附力，防止因着陆或操作过程中的反作用力过大导致探测器逃逸。

2.本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构，所述连接结构为两个相互啮合设置的锥齿轮；由于该连接结构为相互啮合的锥齿轮，因此，可以通过辊筒转动可以改变充气臂与吊舱夹角，以适应不同的地形。即利用锥齿轮的锥齿轮的锥度，对支撑气囊夹角的主动控制也有缓冲竖直方向速度的作用，同时展开的支撑气囊本身具有柔性，也能对着陆进行缓冲。

3.本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构，所述充气臂的内壁设有金属复合材料制作而成的支撑结构，所述支撑结构位于所述充气臂的自由端。通过在充气的自由端的内壁设置金属复合材料支撑的支撑结构，以增加展开的充气臂的强度，从而增加了该充气臂的支撑能力，增加充气臂与小行星表面间的相对移动阻力，保证了设置在吊舱上的探测器主体的稳定性。

4.本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构，所述充气夹环充气后呈碗状结构。结合多个充气夹环的共同作用，能大大增加充气臂与小行星相对移动的阻力，最终使探测器主体停留在小行星表面。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的结构示意图；

图2为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气臂展开状态的结构示意图；

图3为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的吊舱的结构示意图；

图4为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气臂的结构示意图；

图5为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气臂内部的结构示意图；

图6为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气夹环充气前的结构示意图；

图7为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气夹环充气后的结构示意图；

图8为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构与小行星接近的状态示意图；

图9为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的触地缓冲状态示意图；

图10为本发明提供的充气展开式小行星着陆吸附机构的充气加持状态示意图。

附图标记说明：

1-探测器主体；2-吊舱；3-充气臂；4-辊筒；5-支撑气囊；6-充气夹环；7-充气罐；8-驱动机构；9-锥齿轮；10-第二充气管路；11-支撑结构。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

请参阅图1至图10所示，本发明提供了一种充气展开式小行星着陆吸附机构，包括：探测器主体1；吊舱2，所述吊舱2设于所述探测器主体1的底部，且在所述吊舱2内设有多个辊筒4，多个所述辊筒4首尾连接；充气臂3，缠绕在所述辊筒4上，所述充气臂3具有收卷状态和从吊舱2伸出的展开状态，所述充气臂3包括支撑气囊5和充气夹环6，所述充气夹环6设于所述支撑气囊5上；充气罐7，设于所述吊舱2内，所述充气罐7与所述充气臂3连接；驱动机构8，与所述辊筒4连接，所述驱动机构8驱动所述辊筒4转动，以驱动所述充气臂3在收卷状态和展开状态之间切换。

通过在探测器主体1的底部设置吊舱2，即可以在该吊舱2的内部设置多个辊筒4，通过辊筒4的设置，可以将充气臂3缠绕在该辊筒4上，从而便于该充气臂3的收卷和展开。当探测器主体1在轨道上运行时，充气臂3卷曲缠绕于辊筒4并收纳在吊舱2内，则充气臂3包括的支撑气囊5和充气夹环6均处于收卷状态，即收卷在辊筒4上。同时，由于多个辊筒4为首尾连接，因为，只需要一个驱动机构8即可驱动所有辊筒4的转动，实现充气臂3的收卷与张开。当探测器主体1接近小行星表面时，辊筒4转动，充气罐7为支撑气囊5充气，使得支撑气囊5展开；在支撑气囊5触碰到小行星表面后，开始对充气夹环6进行充气，由于小行星表面具有碎石堆形貌的结构，充气夹环6充气前可以贴合于碎石表面、充气夹环6充气后展开为碗状结构，可以嵌入碎石的凹陷或凸起处、钩挂到碗口内，从而实现了该充气展开式小行星着陆吸附机构的顺利着陆。

由于在探测器主体1的底部设置吊舱2，并且在该充气吊舱2的内部设置辊筒4和驱动机构8，以及充气罐7，该充气臂3缠绕在辊筒4上，同时充气壁还与辊筒4连接，从而在着陆时，通过展开充气臂3，使得支撑气囊5与小行星表面接触，再利用充气夹环6与嵌入碎石的凹陷或凸起处、钩挂到充气夹环6的碗口内，使得探测器主体1可以实现稳定的着陆，即使在小行星表面环境复杂的情况下，也可以实现该探测器主体1的稳定着陆。

支撑气囊5的刚度可调且具有柔顺性，能够减小着陆器的冲击和振动；支撑气囊5对小行星表面的平整度要求较低，可以适应星表碎石堆环境；支撑气囊5质量轻，非工作时由充气吊舱2收纳，着陆时气囊展开，对探测器的能量消耗较小，适用于深空探测。充气夹环6可以夹持小行星表面不同尺寸的岩块，为着陆器提供稳定吸附力，防止因着陆或操作过程中的反作用力过大导致探测器逃逸。

在一些可选的实施例中，该充气展开是小行星着陆吸附机构还包括连接结构，所述连接结构设于首尾相连的两个辊筒4之间；具体地，所述连接结构为两个相互啮合设置的锥齿轮9。

由于多个辊筒4首尾相邻设置，在此，以所述辊筒4的个数具有四个为例，即四个辊筒4首尾相连，并且四个辊筒4相互垂直。在两个辊筒4之间设有两个相互啮合的锥齿轮9，即一个辊筒4的一端设置一个锥齿轮9，另一个辊筒4的一端设置另一个锥齿轮9，两个锥齿轮9相互啮合，从而实现了一个驱动机构8带动所有的辊筒4进行转动。

由于辊筒4的个数为四个，因此，需要的锥齿轮9的个数为八个，即一个辊筒4的两端设有两个锥齿轮9。

同时，由于该连接结构为相互啮合的锥齿轮9，因此，可以通过辊筒4转动可以改变充气臂3与吊舱2夹角，以适应不同的地形。即利用锥齿轮9的锥齿轮9的锥度，对支撑气囊5夹角的主动控制也有缓冲竖直方向速度的作用，同时展开的支撑气囊5本身具有柔性，也能对着陆进行缓冲。

在本实施例中，驱动机构8为电机。

在一些可选的实施例中，所述充气臂3的内壁设有金属复合材料制作而成的支撑结构11，所述支撑结构11位于所述充气臂3的自由端；

在本实施例中，所述支撑结构11具有两组，两组所述支撑结构11均倾斜设置，且两组所述支撑结构11的倾斜方向相反，并具有交点。通过在充气的自由端的内壁设置金属复合材料支撑的支撑结构11，以增加展开的充气臂3的强度，从而增加了该充气臂3的支撑能力，增加充气臂3与小行星表面间的相对移动阻力，保证了设置在吊舱2上的探测器主体1的稳定性。

其中，充气臂3包括的支撑气囊5和充气夹环6在实际使用的过程中，可以分别进行充气。

在一些可选的实施例中，该充气展开式小行星着陆吸附机构还包括第一充气管路(图中未示出)，所述第一充气管路与充气罐7和支撑气囊5连通，即通过第一充气管路为支撑气囊5充气，实现支撑气囊5的支撑和膨胀。

在一些可选的实施例中，该充气展开式小行星着陆吸附机构还包括第二充气管路10，所述第二充气管路10与所述充气罐7与充气夹环6连通，即通过第二充气管路10为充气夹环6充气，实现充气夹环6的膨胀。

其中，充气夹环6也具备两种状态，即未充气和充气后，未充气的充气夹环6为平面结构，可以贴合于碎石的表面；所述充气夹环6充气后呈碗状结构，结合多个充气夹环6的共同作用，能大大增加充气臂3与小行星相对移动的阻力，最终使探测器主体1停留在小行星表面。

该充气展开式小行星着陆吸附机构由于在探测器主体1的底部设置吊舱2，并且在该充气吊舱2的内部设置辊筒4和驱动机构8，以及充气罐7，该充气臂3缠绕在辊筒4上，同时充气壁还与辊筒4连接，从而在着陆时，通过展开充气臂3，使得支撑气囊5与小行星表面接触，再利用充气夹环6与嵌入碎石的凹陷或凸起处、钩挂到充气夹环6的碗口内，使得探测器主体1可以实现稳定的着陆，即使在小行星表面环境复杂的情况下，也可以实现该探测器主体1的稳定着陆。

本发明还提供了一种充气展开式小行星着陆吸附机构的工作方法，包括：当探测器主体1在轨道上运行时，充气臂3卷曲缠绕于辊筒4并收纳在吊舱2内；当探测器主体1接近小行星表面时，辊筒4转动并释放出支撑气囊5，支撑气囊5释放后，由充气罐7对支撑气囊5进行充气，使支撑气囊5展开，此时不对充气夹环6进行充气；展开的支撑气囊5触碰到小行星表面后，通过辊筒4转动可以改变支撑气囊5与吊舱2的夹角，以适应不同的地形，对支撑气囊5夹角的主动控制也有缓冲竖直方向速度的作用，同时展开气囊本身具有柔性，也能对着陆进行缓冲；当探测器主体1相对小行星表面的速度减小到一定范围后，对支撑气囊5上的充气夹环6进行充气，小行星表面具有碎石堆形貌的结构，充气夹环6充气前可以贴合于碎石表面、充气夹环6充气后展开为碗状结构，碎石的凹陷或凸起处可以嵌入、钩挂到碗口内；结合多个充气夹环6的共同作用，能大大增加充气臂3与小行星相对移动的阻力，最终使探测器主体1停留在小行星表面。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。