一种可复用星表着陆摩擦制动关节及操作方法

技术领域

本发明涉及航天器着陆缓冲装置技术领域，特别是涉及一种可复用星表着陆摩擦制动关节及操作方法。

背景技术

以月球探测、火星探测以及小行星探测为代表的深空探测活动不断深入和活跃，对星表探测器着陆缓冲装置提出了更高更复杂的技术要求，急需研发出成本较低的可重复使用星表探测器着陆缓冲装置。

着陆缓冲在星表探测器的整个生命周期中是一个非常短暂的过程，但又十分复杂并且十分危险，决定了相关任务的成败。航天器首先通过反推发动机等设备的工作来实现减速，但是其在完全接触月球或行星表面前速度难以降低到零，仍需进行着陆缓冲。目前，星表着陆缓冲普遍采用腿足式机构与塑性变形吸能材料的组合，可充分发挥腿足式机构地形适应性强、缓冲过程稳定性好和塑性变形吸能材料可靠性强、能质比高的优点，但这种缓冲方式无法重复使用，也无法在着陆缓冲过程中实现理想的着陆器本体质心过载曲线，实现柔顺落震，严重制约了深空星表探测任务的广泛开展。电摩擦制动装置目前主要应用于航空飞行器的着陆减速，具有操纵方便、结构简单、可重复使用、无污染等优点。如何将电摩擦制动装置与星表着陆缓冲装置进行深度结合，发挥各自的技术优势，实现低成本、高平顺的星表探测器着陆缓冲过程，将极大提高相关任务的科学回报，具有极强的工程价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种可复用星表着陆摩擦制动关节及操作方法，以解决上述现有技术存在的问题，不仅可以刹停着陆腿关节处的相对运动，而且可以重复使用，结构简单、易于操控，且制动效率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

腿式着陆缓冲机构将航天器着陆时的动能分散在缓冲材料和着陆腿结构的变形上，使航天器能够在不受损伤的情况下成功着陆。腿式着陆缓冲系统可对着陆姿势进行控制，通过对着陆腿结构及其缓冲装置的设计可将着陆时的动能耗散掉，防止反弹，其包括全电摩擦制动装置。可重复使用星表着陆装置摩擦制动关节是飞行器上相对来说独立的一种起缓冲制动作用的装置。全电摩擦制动装置具有操纵方便简单，结构简单，可多次使用，无污染等众多优点，由此可知，全电摩擦制动装置可满足航天器着陆时的需求，具有很大的潜力与发展空间，至此，本发明的技术应运而生。

本发明提供一种可复用星表着陆摩擦制动关节，该制动关节包括第一腿杆和第二腿杆，所述第一腿杆的一端固定穿设有连接轴，所述连接轴上固定套设有两个对称设置于所述第一腿杆两侧的第一齿轮；所述第二腿杆一端对称安装有两个连接侧板，所述连接侧板中心位置处开设有连接孔，所述连接轴两端分别活动穿设于两个所述连接侧板的连接孔内；每个所述连接侧板上均活动穿设有多个第二齿轮轴，所述第二齿轮轴上固定套设有直径小于第一齿轮的第二齿轮，所述第二齿轮位于所述连接侧板内侧，且与所述第一齿轮啮合传动连接；位于所述连接侧板外侧的所述第二齿轮轴通过减速器连接有电摩擦制动装置；所述电摩擦制动装置包括与所述第二齿轮轴通过减速器连接的摩擦动盘，所述摩擦动盘两侧装有膜片弹簧，摩擦动盘外侧有第一膜片弹簧，第一膜片弹簧外侧有安装于直线传动装置上的第一摩擦静盘，第二膜片弹簧下侧安装有第二摩擦静盘，所述直线传动装置连接有电机，所述第一摩擦静盘和摩擦动盘之间具有第一膜片弹簧。

可选的，根据权利要求1所述的可复用星表着陆摩擦制动关节，其特征在于：所述电摩擦制动装置还包括上面有通孔的电机底座，所述的底座固定设置于所述的电机的下侧，所述的第一摩擦静盘位于底座之下，通过双头螺栓与底座连接；所述底座远离所述连接侧板一端的外部固定安装有所述电机，所述电机与所述直线传动装置连接，所述直线传动装置穿过所述底座后固定连接有所述的第一摩擦静盘，所述第一摩擦静盘位于所述底座之下与直线传动装置相连；所述电机为直流低转速力矩电机。

可选的，所述直线传动装置为滚珠丝杠副结构，由所述直流低转速力矩电机通过联轴器直接进行驱动。

可选的，所述摩第一擦静盘上安装有压力传感器，用来检测滚珠丝杠副的推力大小，所述的位于第一摩擦静盘上的压力传感器与直线传动装置即滚珠丝杠相连。

可选的，所述传感器包括压力传感器，用来检测滚珠丝杠副的推力大小。所述传感器位于所述第一摩擦静盘内与所述直线传动装置相连。

可选的，每个所述连接侧板上均设置有三个所述第二齿轮轴，三个所述第二齿轮轴均匀环设于所述连接侧板上，且三个所述第二齿轮轴距离所述连接孔的距离相同。

可选的，所述连接侧板为圆盘状结构，所述连接孔开设于所述连接侧板的圆心位置处；所述连接侧板一端与所述第二腿杆一体成型。

可选的，所述电摩擦制动装置还包括一端开口的壳体，所述壳体的开口端固定设置于所述连接侧板外侧，所述减速器位于所述壳体内，所述第二摩擦静盘位于所述壳体外侧。

可选的，所述的着陆器关节处共包括三组共六个电摩擦制动装置，每组电摩擦制动装置对称分布在着陆器关节两侧，三组共六个电摩擦制动装置均匀分布在制动关节上，电机驱动器收到制动指令时，六个电机同时驱动直线传动装置对动盘施加相同大小的正压力，共同分摊关节处为达制动目的所需的摩擦制动力矩，以降低每组摩擦盘所承受的负荷，加强制动工作的安全性并扩大可制动转速范围。

本发明还提供一种可复用星表着陆摩擦制动关节操作方法，所述的电摩擦制动装置采取半闭环控制方法，即在着陆器缓速下降精避障阶段，根据着陆器对其本体姿态以及质心处速度、加速度的感应，通过模糊规则获取并控制星表着陆器各着陆腿中各摩擦制动关节上的电机驱动丝杠直线传动装置施加给动盘的期望正压力，从而实现对各摩擦制动关节所输出的摩擦制动力矩的控制。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的星表着陆摩擦制动关节，可以重复使用，结构简单，易控制，且反应迅速；可使摩擦制动过程相对柔顺，实现摩擦制动力矩的逐级增大，以实现平缓的落震过程。需要制动时，利用电机旋转，带动直线传动装置，沿轴线方向微幅运动，使第一摩擦静盘逐渐靠近并通过第一膜片弹簧逐渐压紧摩擦动盘，摩擦动盘又通过第二膜片弹簧逐渐压紧第二摩擦静盘，通过利用两个摩擦盘运动表面相互接触产生的摩擦阻力，摩擦阻力做功将航天器的动能转化为热能耗散掉，从而将关节间的相对运动有效刹停。在摩擦制动过程中，采取半闭环的控制方式，即着陆器本体通过模糊规则获取摩擦制动的期望正压力并提供给电机控制器，根据着陆器的电机控制器提供的期望正压力，着陆腿各摩擦制动关节上的六个电机旋转，共同分摊关节处为达制动目的所需的摩擦制动力矩，驱动直线传动装置施加相应的正压力，即利用控制并联的摩擦制动器施加的正压力值，从而刹停飞行器关节处的相对运动，达到摩擦制动的目的。本发明不仅可用于着陆器，还可应用于多种情况下的制动。

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获得其他的附图。

图1是本发明第一腿杆处结构示意图；

图2是本发明第二腿杆处结构示意图；

图3是第二腿杆内侧小齿轮分布示意图；

图4是第一腿杆和第二腿杆关节处连接方式剖面图；

图5是减速器的连接方式示意图；

图6是电摩擦制动装置与连接侧板连接示意图；

图7是为本发明电摩擦制动装置示意图；

图8是直线传动装置与压力传感器的连接示意图；

图9是本发明整体结构示意图；

图10是本发明的半闭环控制流程图。

其中，100为可复用星表着陆摩擦制动关节，1为第一腿杆、2为第二腿杆、3为连接轴、4为第一齿轮、5为连接侧板、6为连接孔、7为第二齿轮轴、8为第二齿轮、9为电摩擦制动装置、901为摩擦动盘、902为直线传动装置、903为第一摩擦静盘、904为第二摩擦静盘，905为第一膜片弹簧，906为第二膜片弹簧，907为电机、908为底座、909为压力传感器、910为壳体、10为减速器。

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做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。

本发明的目的是提供一种星表着陆缓冲制动装置，以解决上述现有技术存在的问题，不仅可以刹停着陆腿关节处的相对运动，而且可以重复使用，结构简单、易于操控，且制动效率高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考附图1-附图10，本发明提供一种可复用星表着陆摩擦制动关节100，包括安装于着陆器的着陆腿上的第一腿杆1和第二腿杆2，第一腿杆1与第二腿杆2连接的一端穿设有连接轴3，连接轴3与第一腿杆1固定连接，连接轴3与第二腿杆2活动连接，第一腿杆1与第二腿杆2连接的一端能够在连接轴3上相对转动，连接轴3上固定套设有两个对称设置于第一腿杆1两侧的第一齿轮4；第二腿杆2一端对称安装有两个连接侧板5，连接侧板5中心位置处开设有连接孔6，连接轴3两端分别活动穿设于两个连接侧板5的连接孔6内；每个连接侧板5上均活动穿设有多个第二齿轮轴7，第二齿轮轴7上固定套设有第二齿轮8，第二齿轮8位于连接侧板5内侧，且与第一齿轮4啮合传动连接，第二齿轮8直径小于第一齿轮4直径，齿轮选择采用直齿轮的形式，第二齿轮8用来与第一腿杆1上的第一齿轮4啮合传动，从而将第二腿杆2与第一腿杆1之间的相对运动传递给电摩擦制动装置9；位于连接侧板5外侧的第二齿轮轴7通过减速器10连接有电摩擦制动装置9；电摩擦制动装置9包括与第二齿轮轴7通过减速器10连接的摩擦动盘901，摩擦动盘901外侧设置有第一膜片弹簧905，第一膜片弹簧905外侧有安装于直线传动装置902上的第一摩擦静盘903，直线传动装置902连接有电机907，即第一摩擦静盘903和摩擦动盘901之间安装有第一膜片弹簧905，摩擦动盘901下侧设置有第二膜片弹簧906，第二膜片弹簧906位于第二摩擦静盘904外侧，摩擦静盘904置于壳体910外侧。

优选的，电摩擦制动装置9位于着陆器的髋关节、膝关节外两侧，电摩擦制动装置9还包括一端开口的壳体910，壳体910的开口端固定设置于连接侧板5外侧，减速器10位于壳体910内；底座908远离连接侧板4一端的外部固定安装有电机907，电机907与直线传动装置902连接，直线传动装置902穿过底座908后固定连接有第一摩擦静盘903，第一摩擦静盘903位于壳体910外侧。当着陆器着陆，第二腿杆2和第一腿杆1的关节间会有相对角位移，此时第一齿轮4和第二齿轮8啮合运动，第二齿轮8绕第一齿轮4运动，第二齿轮8及其第二齿轮轴7会相对第二腿杆2旋转，即第二腿杆2和第一腿杆1间相对角位移通过第二腿杆2上的第二齿轮轴7的旋转运动传递下去。从第二腿杆2外侧穿出的第二齿轮轴7与减速器10的慢轴端固定连接，减速器10的快轴端与电摩擦制动装置9的摩擦动盘901相连接。电机907为直流低转速力矩电机，位于底座908上。底座908位于第一摩擦静盘903外侧，直线传动装置902为滚珠丝杠副结构，直流低转速力矩电机通过联轴器直接对滚珠丝杠副902进行驱动。第一摩擦静盘903上安装有传感器909，传感器909位于第一摩擦静盘903内与直线传动装置902相固连。传感器906为压力传感器。每个连接侧板5上均设置有三个第二齿轮轴7，三个第二齿轮轴7均匀环设于连接侧板5上，且三个第二齿轮轴7距离连接孔6的距离相同，位于同侧的相邻两个第二齿轮轴7所夹的圆心角为120°。连接侧板5为圆盘状结构，连接孔6开设于连接侧板5的圆心位置处；连接侧板5一端与第二腿杆2一体成型。

本发明工作原理为：飞行器着陆瞬间，关节间会有相对角位移，关节处通过齿轮传动，通过齿轮传动比之间的放大与减速器等方式将关节间的相对角速度放大，并由放大后的运动带动摩擦制动器的摩擦动盘901运动。

关节处的传动结构，此处为第二腿杆2上的第二齿轮8，通过第二齿轮轴7与减速器10的慢轴相连接，此处利用减速器10放大关节间的相对运动，即放大关节间的相对转速，摩擦动盘901与减速器10的快轴同轴同转速转动，电摩擦制动装置9的外壳910固定在第二腿杆2关节处外侧，当着陆器需要制动时，六个电机907按命令收到信号逐个旋转，带动电机907所控制的直线传动装置902的滚珠丝杠副运动，进而使得丝杠端头在底座908沿轴向直线运动，此运动为微幅运动，通过该运动，压力传感器将第一摩擦静盘903经第一膜片弹簧905与摩擦动盘901逐渐压紧，且摩擦动盘901经过第二膜片弹簧906与第二摩擦静盘904压紧，关节处的摩擦制动力矩可控，以达到关节处的柔顺制动目的。

如图10所示，电摩擦制动装置采取半闭环控制的控制方法，即在着陆器缓冲下降精避障阶段，着陆器通过对本体质心处速度、加速度的感应和检测，通过模糊控制器和模糊规则获取并控制星表着陆器各着陆腿中的各摩擦制动关节上的电机驱动丝杠直线传动装置施加给动盘的期望正压力值，即期望着陆器落震过程，控制电机控制器给予电机驱动器制动驱动，电机和直线传动机构配合，输出到摩擦盘组，其摩擦制动器收到电机控制器所给予的制动驱动信号后，六个电机907同时对直线传动装置902施加相同大小的驱动力，通过控制接入的六个电机907所提供的摩擦制动力矩，即驱动力大小来进行摩擦制动。电机907工作，直线传动装置902的滚珠丝杠沿轴线方向进行直线运动，通过底部连接的压力传感器将第一摩擦静盘903经第一膜片弹簧905与摩擦动盘901逐渐压紧，且摩擦动盘901经过第二膜片弹簧906与第二摩擦静盘904压紧，压力传感器将摩擦动盘901与第一摩擦静盘903之间的制动压力通过压力传感器实时反馈给模糊控制器，通过控制直线传动装置所提供的相同大小的正压力值，即调整摩擦制动器的摩擦制动力矩，使电机控制器输出的实际制动压力与需求相同；第一摩擦静盘903与第二摩擦静盘904均与摩擦动盘901压紧并不断摩擦生热，将飞行器关节处的动能以热能的形式耗散掉，从而使关节处减速刹停。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。