一种垂直起降运载器着陆支腿设计与展开控制
发布时间：2021-11-03 16:56
目前,实现垂直起降运载器可重复使用是降低发射成本的有效途径之一。当运载器完成着陆场返回后,需依靠着陆支撑机构的展开、锁定及缓冲吸能三阶段的协同配合,最终实现平稳软着陆。针对运载器着陆支撑机构,提出一种六杆式支撑机构构型,通过四连杆机构实现展开与收拢动作,利用双锁紧机构型式实现锁定动作,依据机构自锁原理完成单向运动。通过对实际展开工况进行分析,提出主动+随动控制方式和全程作动控制方式。在着陆支撑机构展开过程动力学建模的基础上,分别对两种展开运动控制策略进行优化。并完成不同控制方案对比分析,最终确定合理展开驱动方案,为运载器支撑机构的研制和展开控制提供技术支持。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
驱动部件结构图主动电动机在初始时刻推动单向机构向下运
、单向机构及锁紧机构组成。结构如图2所示。图2驱动部件结构图主动电动机在初始时刻推动单向机构向下运动，由于钢球与斜槽、锁紧下连杆表面挤压实现自锁，从而导致锁紧上连杆与下连杆产生相对运动，并通过单向机构内压力传感器完成驱动力测量。当锁紧上、下连杆相对速度较大时，可依靠单向机构反向非自锁性实现相对运动。当支撑机构完成展开动作后，锁紧上、下连杆间依靠锁紧机构实现锁定，由于落地瞬间锁紧销剪切方向振动较大，为确保锁紧机构可靠，本文采用双锁紧机构实现锁定动作。工作流程如图3所示：①运载器在装配运输过程中通过保险销进行预紧，限制一次锁定机构挡销运动，此时二次锁定机构处于预压状态；②运载器发射前将保险销释放，由于支撑机构处于收拢状态，锁紧上连杆将限制一次锁紧机构挡销弹出，此时二次锁紧机构仍处于预压状态；③当支撑机构展开时，锁紧上连杆远离一次锁定机构挡销，当锁紧上连杆运动到预定位置后，一次锁定机构挡销弹出，随后二次锁定机构挡销弹出，限制一次锁定机构运动，从而实现二次锁定。图3锁紧动作流程图单向机构是确保有效展开的前提，若钢球受到两侧构件支撑力FB、Fn，摩擦力fB、Ft。对钢球挤压过程进行受力分析，等效模型及受力如图4所示。图4单向机构等效模型图假设驱动下连杆A及斜槽B为刚体，其自锁条件：当钢球由于物体A挤压而产生摩擦力时，钢球相对外滚道B接触点不发生滚转。若钢球半径为R，接触面摩擦因数为，此时受力应满足下式ntFF(1)对钢球与斜槽接触点求解力矩得(1cos)=sintnFRFR(2)联立得到角度公式sintan=121c
工表面摩擦因数为0.1，则°12，由于实际物体存在弹性变形，实际楔形角度应小于12°，工程常用6°～8°，本文设计角度6°可满足自锁条件。1.2支撑机构的展收控制方式支撑机构初始时收拢于运载器外侧，通过火攻装置固定于运载器，当运载器返回后，释放火工装置，启动展开程序，本文提出两类展开控制方式，第一种为主动+随动控制方式，驱动缸在前半程采用主动规划控制，后半程依靠单向机构实现随动。第二种为全程作动控制，包含两种优化模式，并通过规划驱动力曲线完成展开控制，如图5所示。图5支撑机构展开控制方式支撑机构有效展开需要不同类型传感器监测实时运动状态，当启动释放程序后，各传感器间协同配合实现展开。传感器相关信息如表1所示。表1传感器相关信息传感器类别安装位置作用位移传感器拉线式位移，固连于锁紧下连杆测量驱动缸位移压力传感器圆盘式测压，安装于电动机输出端测量电缸驱动力编码器绝对值式，驱动杆与支撑筒铰链处测量驱动杆角度激光传感器对称分布，安装于锁紧机构两侧监测锁紧状态支撑机构有效展开需通过合理的展开方式，并配合锁紧检测系统共同完成，展开过程流程如图6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]状态预测神经网络控制应用于小型可回收火箭[J]. 陈书钊,楚龙飞,杨秀梅,蔡德淮. 航空学报. 2019(03)
[2]蓝色起源公司“新谢泼德”飞行器及其未来发展分析[J]. 杨开,才满瑞. 国际太空. 2018(07)
[3]猎鹰重型运载火箭[J]. Lance A.Davis. Engineering. 2018(03)
[4]垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析[J]. 崔乃刚,吴荣,韦常柱,徐大富,张亮. 宇航总体技术. 2018(02)
[5]运载火箭助推器伞控回收方案及安全性分析[J]. 徐倩,郭凤明,苏玲,陈彬,张宏剑. 宇航总体技术. 2017(03)
[6]蓝色起源的新格伦火箭[J]. 张雪松,Nemo. 卫星与网络. 2017(04)
[7]新型垂直起降运载器着陆支架收放系统设计与分析[J]. 肖杰,张明,岳帅,夏昊天. 机械设计与制造工程. 2017(03)
[8]回收火箭的重要意义与关键技术[J]. 庞之浩. 科技导报. 2016(01)
[9]基于分段三次样条曲线的高速加工平滑运动轮廓自适应算法研究[J]. 陈金成,徐志明,徐正飞,钟廷修,蒋厚宗. 机械工程学报. 2002(05)
本文编号：3474030
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
驱动部件结构图主动电动机在初始时刻推动单向机构向下运
、单向机构及锁紧机构组成。结构如图2所示。图2驱动部件结构图主动电动机在初始时刻推动单向机构向下运动，由于钢球与斜槽、锁紧下连杆表面挤压实现自锁，从而导致锁紧上连杆与下连杆产生相对运动，并通过单向机构内压力传感器完成驱动力测量。当锁紧上、下连杆相对速度较大时，可依靠单向机构反向非自锁性实现相对运动。当支撑机构完成展开动作后，锁紧上、下连杆间依靠锁紧机构实现锁定，由于落地瞬间锁紧销剪切方向振动较大，为确保锁紧机构可靠，本文采用双锁紧机构实现锁定动作。工作流程如图3所示：①运载器在装配运输过程中通过保险销进行预紧，限制一次锁定机构挡销运动，此时二次锁定机构处于预压状态；②运载器发射前将保险销释放，由于支撑机构处于收拢状态，锁紧上连杆将限制一次锁紧机构挡销弹出，此时二次锁紧机构仍处于预压状态；③当支撑机构展开时，锁紧上连杆远离一次锁定机构挡销，当锁紧上连杆运动到预定位置后，一次锁定机构挡销弹出，随后二次锁定机构挡销弹出，限制一次锁定机构运动，从而实现二次锁定。图3锁紧动作流程图单向机构是确保有效展开的前提，若钢球受到两侧构件支撑力FB、Fn，摩擦力fB、Ft。对钢球挤压过程进行受力分析，等效模型及受力如图4所示。图4单向机构等效模型图假设驱动下连杆A及斜槽B为刚体，其自锁条件：当钢球由于物体A挤压而产生摩擦力时，钢球相对外滚道B接触点不发生滚转。若钢球半径为R，接触面摩擦因数为，此时受力应满足下式ntFF(1)对钢球与斜槽接触点求解力矩得(1cos)=sintnFRFR(2)联立得到角度公式sintan=121c
工表面摩擦因数为0.1，则°12，由于实际物体存在弹性变形，实际楔形角度应小于12°，工程常用6°～8°，本文设计角度6°可满足自锁条件。1.2支撑机构的展收控制方式支撑机构初始时收拢于运载器外侧，通过火攻装置固定于运载器，当运载器返回后，释放火工装置，启动展开程序，本文提出两类展开控制方式，第一种为主动+随动控制方式，驱动缸在前半程采用主动规划控制，后半程依靠单向机构实现随动。第二种为全程作动控制，包含两种优化模式，并通过规划驱动力曲线完成展开控制，如图5所示。图5支撑机构展开控制方式支撑机构有效展开需要不同类型传感器监测实时运动状态，当启动释放程序后，各传感器间协同配合实现展开。传感器相关信息如表1所示。表1传感器相关信息传感器类别安装位置作用位移传感器拉线式位移，固连于锁紧下连杆测量驱动缸位移压力传感器圆盘式测压，安装于电动机输出端测量电缸驱动力编码器绝对值式，驱动杆与支撑筒铰链处测量驱动杆角度激光传感器对称分布，安装于锁紧机构两侧监测锁紧状态支撑机构有效展开需通过合理的展开方式，并配合锁紧检测系统共同完成，展开过程流程如图6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]状态预测神经网络控制应用于小型可回收火箭[J]. 陈书钊,楚龙飞,杨秀梅,蔡德淮. 航空学报. 2019(03)
[2]蓝色起源公司“新谢泼德”飞行器及其未来发展分析[J]. 杨开,才满瑞. 国际太空. 2018(07)
[3]猎鹰重型运载火箭[J]. Lance A.Davis. Engineering. 2018(03)
[4]垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析[J]. 崔乃刚,吴荣,韦常柱,徐大富,张亮. 宇航总体技术. 2018(02)
[5]运载火箭助推器伞控回收方案及安全性分析[J]. 徐倩,郭凤明,苏玲,陈彬,张宏剑. 宇航总体技术. 2017(03)
[6]蓝色起源的新格伦火箭[J]. 张雪松,Nemo. 卫星与网络. 2017(04)
[7]新型垂直起降运载器着陆支架收放系统设计与分析[J]. 肖杰,张明,岳帅,夏昊天. 机械设计与制造工程. 2017(03)
[8]回收火箭的重要意义与关键技术[J]. 庞之浩. 科技导报. 2016(01)
[9]基于分段三次样条曲线的高速加工平滑运动轮廓自适应算法研究[J]. 陈金成,徐志明,徐正飞,钟廷修,蒋厚宗. 机械工程学报. 2002(05)
本文编号：3474030
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