一种仿生缓冲吸能腿及着陆器

1.本发明涉及缓冲技术领域，具体涉及一种仿生缓冲吸能腿及着陆器。


背景技术：

2.航天着陆器缓冲机构主要用于缓冲航天器着陆时的冲击，是深空探测或回收的一项关键技术，防止着陆过程中由于冲击过大而导致人员的伤害或仪器设备的损伤。从二十世纪六十到八十年代，苏联和美国共发射了65枚月球探测器，以美国在1966年第一次成功实现软着陆月球表面的腿式着陆器surveyor 1号为例，它主要由厚壁铝管组成的三角架构成，质量较轻。苏联在1970年成功发射luna16号着陆器，采用的缓冲装置是液压式缓冲装置。与机构式着陆器不同，液压式缓冲着陆器需要面临密封和温控的问题，否则极易发生液体泄漏从而导致任务失败。美国在1975年发射的viking1号火星着陆器主要由着陆腿内部的多级缓冲系统来进行缓冲吸能。
3.目前腿式着陆器用缓冲结构有多种形式，主要包括依靠缓冲材料塌陷法、金属橡胶、液压式、磁流变液、机械式、拉刀式及薄壁管塑性变形等。依靠材料坍塌法的缓冲器是指倚靠像蜂窝材料之类的缓冲材料的坍塌变形来吸收冲击能量的缓冲器，这些结构将外部的冲击载荷转变为缓冲器的变形能和内能。美国的apollo 11载人登月着陆器和viking无人火星探测器均采用铝蜂窝作为冲击吸能材料。液压缓冲器同样应用在了着陆缓冲领域，美国的勘察号着陆器的缓冲器液体中加入硅树脂，增强了液体的可压缩性，在着陆冲击过程中，冲击产生的能量被流经阻尼孔的压缩液体吸收。另外，还有薄壁金属管塑性变形缓冲器，该缓冲器通过内部的胀环对外部锥环挤压变形，将冲击能转变为塑性变形能和热能，从而达到缓冲吸能的目的。
4.现有的研究人员对于着陆系统的设计、分析与试验的各个方面(包括布局及参数设计、动力学仿真和落塔试验)均进行了相应研究，并取得了一定成果。但是目前针对着陆系统中的吸能结构进行轻量化设计研究相对较少，且未将工程仿生学原理应用于着陆吸能结构上。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种缓冲吸能效果好且质量轻的仿生缓冲吸能腿。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种仿生缓冲吸能腿，包括均沿上下方向延伸的主腿和副腿，所述主腿具有沿其长度方向延伸的管腔，所述副腿上部位于所述主腿的管腔中并能够沿所述主腿的管腔的长度延伸方向相对所述主腿滑动地设置，所述副腿的下部向下伸出到所述主腿的管腔的外部，所述吸能腿还包括设置在所述主腿的管腔中并位于所述主腿的上部的内端面和所述副腿的上端面之间的缓冲机构，所述缓冲机构包括均沿所述吸能腿的长度方向延伸的第一缓冲结构、第二缓冲结构和第三缓冲结构，所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三
缓冲结构自所述副腿的上端面向上沿所述吸能腿的长度延伸方向不限次序依次顺序设置，所述第一缓冲结构为仿生薄壁结构，所述第二缓冲结构为自圆柱形泡沫芯体结构的外侧周面向内设置切槽形成的仿生泡沫芯体结构，所述切槽贯穿所述圆柱形泡沫芯体结构的长度方向上的两端部，沿所述切槽的长度延伸方向，所述切槽的深度逐渐增大，所述切槽深度大的一端部朝上设置，所述切槽深度小的一端部朝下设置，沿所述圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，所述切槽均布设置有多个，所述第三缓冲结构为仿生蜂窝结构，所述仿生蜂窝结构包括至少一个蜂窝组件，每个所述蜂窝组件包括多个顺序设置的蜂窝单元，每个所述蜂窝单元均包括圆形晶胞和对称设置在所述圆形晶胞的相对两侧的正五边形晶胞，所述正五边形晶胞的一个顶点与所述圆形晶胞直接或间接连接。
8.优选地，所述仿生薄壁结构的横截面包括向外凸的第一圆弧部和向内凹的第二圆弧部，所述第一圆弧部对称设置在所述横截面的第一方向上的相对两侧，所述第二圆弧部对称设置在所述横截面的第二方向上的相对两侧，所述第一方向和所述第二方向相垂直，所述横截面还包括分别设置在各相邻的所述第一圆弧部和所述第二圆弧部之间并与所述第一圆弧部和所述第二圆弧部均相切的第三圆弧部。
9.进一步地，所述第一圆弧部的半径、所述第二圆弧部的半径、所述第三圆弧部的半径以及所述第二圆弧部的弦长之间的比值为10:10:2:11。
10.优选地，沿所述圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，所述切槽均布设置有四个。
11.进一步地，所述圆柱形泡沫芯体结构的半径、所述切槽的宽度、所述切槽最大深度与最小深度的差值以及两个对称设置的所述切槽在最大深度位置处的槽底之间的距离之间的比值为4:3:1:4。
12.优选地，每个所述蜂窝单元中，所述正五边形晶胞的一个顶点与所述圆形晶胞通过筋板连接，所述圆形晶胞的直径、所述正五边形晶胞的外接圆的直径、所述筋板的长度的比值为2:4:1。
13.优选地，每个所述蜂窝组件中，各所述蜂窝单元沿第三方向顺序设置，所述蜂窝组件沿垂直于所述第三方向的第四方向顺序设置有多组，相邻的两个所述蜂窝单元相邻的端点或端面相连接。
14.优选地，所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三缓冲结构沿所述吸能腿长度延伸方向上的长度相同。
15.优选地，所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三缓冲结构三者中相邻两者之间均通过隔板间隔设置。
16.本发明还提供一种着陆器，具有如上述任一项所述的吸能腿，所述着陆器还包括机体、辅助支架和足垫，所述主腿的上端部与所述机体转动连接，所述副腿的下端部与所述足垫转动连接，所述辅助支架的一端部与所述机体转动连接，所述辅助支架的另一端部与所述主腿转动连接，所述吸能腿、所述辅助支架和所述足垫一一对应设置有多组。
17.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的仿生缓冲吸能腿内设置有由仿生薄壁结构、仿生泡沫芯体结构以及仿生蜂窝结构形成的三级缓冲机构，仿生薄壁结构、仿生泡沫芯体结构以及仿生蜂窝结构三者顺序组合在一起，填充于着陆吸能腿中。本发明的仿生缓冲吸能腿由于缓冲机构的设置使得整个吸能腿的质量相较于现有技术中的吸能腿质量明显降低，具有轻量化的特点。而且，多级缓冲机构的设置方式
使得冲击峰值载荷也有一定程度的降低，缓冲吸能效果好，可以有效地降低着陆冲击过程中对人员和设备的损伤。
附图说明
18.附图1为本发明的仿生缓冲吸能腿的立体示意图；
19.附图2为本发明的仿生缓冲吸能腿的正视示意图；
20.附图3为附图2中沿a-a线的剖视示意图；
21.附图4为本发明的仿生缓冲吸能腿的缓冲机构的立体示意图；
22.附图5为本发明的仿生缓冲吸能腿的第一缓冲结构的立体示意图；
23.附图6为本发明的仿生缓冲吸能腿的第一缓冲结构的俯视示意图；
24.附图7为本发明的仿生缓冲吸能腿的第二缓冲结构的立体示意图；
25.附图8为本发明的仿生缓冲吸能腿的第二缓冲结构的俯视示意图；
26.附图9为本发明的仿生缓冲吸能腿的第三缓冲结构的立体示意图；
27.附图10为本发明的仿生缓冲吸能腿的第三缓冲结构的俯视示意图；
28.附图11为本发明的着陆器的立体示意图；
29.附图12为本发明的仿生缓冲吸能腿在承受压缩载荷时的载荷-位移曲线图。
30.其中：1、主腿；2、副腿；31、第一缓冲结构；311、第一圆弧部；312、第二圆弧部；313、第三圆弧部；32、第二缓冲结构；321、切槽；33、第三缓冲结构；331、蜂窝组件；332、蜂窝单元；332a、圆形晶胞；332b、正五边形晶胞；332c、筋板；34、隔板；100、机体；200辅助支架；300、足垫。
具体实施方式
31.下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
32.实施例1
33.如图1～图3所示，本发明的仿生缓冲吸能腿包括主腿1、副腿2和吸能机构，主腿1和副腿2均沿上下方向延伸。
34.主腿1具有沿其长度方向延伸的管腔，主腿1的材质为硬质刚性材质，使用过程中不会发生变形，主腿1主要起到传递载荷和容纳缓冲机构的作用。
35.副腿2的上部位于主腿1的管腔中，并能够沿主腿1的管腔的长度延伸方向相对主腿1滑动地设置，副腿2的下部向下伸出到主腿1的管腔的外部。副腿2为实心的杆体结构，材质为硬质刚性材质，使用过程中也不会发生变形。
36.缓冲机构设置在主腿1的管腔中，并位于主腿1的上部的内端面和副腿2的上端面之间。
37.如图3和图4所示，缓冲机构包括第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33，第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33均沿吸能腿的长度方向延伸，第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33自副腿2的上端面向上沿吸能腿的长度延伸方向不限次序依次顺序设置。
38.如图5和图6所示，第一缓冲结构31为仿生薄壁结构，该仿生薄壁结构为横截面为非圆截面的薄壁管。具体的，仿生薄壁结构的横截面包括第一圆弧部311、第二圆弧部312和
第三圆弧部313。第一圆弧部311为向薄壁管的管腔外部凸出的弧形结构，第一圆弧部311对称设置在薄壁管的横截面的第一方向上的相对两侧。第二圆弧部312为向薄壁管的管腔内部凹陷的弧形结构，第二圆弧部312设置在薄壁管的横截面的第二方向上的相对两侧，第一方向和第二方向相垂直。第三圆弧部313分别设置在每相邻的第一圆弧部311和第二圆弧部312之间，其与第一圆弧部311和第二圆弧部312的连接处分别与第一圆弧部311和第二圆弧部312相切。该仿生薄壁结构的设计理念来自于秸秆茎秆下部的非圆截面特征，具有较好的抗冲击效果。而且仿生薄壁结构相较于同等壁厚的薄壁圆管，其横截面积相对较小，从而使仿生薄壁结构的质量相较于薄壁圆管的质量减轻。
39.优选第一圆弧部311的半径h1r1、第二圆弧部312的半径h1r2、第三圆弧部313的半径h1r3以及第二圆弧部312的弦长h1 l1之间的比值h1r1:h1r2:h1r3:h1 l1＝10:10:2:11。
40.如图7和图8所示，第二缓冲结构32为仿生泡沫芯体结构，该仿生泡沫芯体结构为自圆柱形泡沫芯体结构的外侧周面向内设置切槽321后形成，切槽321贯穿圆柱形泡沫芯体结构的长度方向上的两端部。沿切槽321的长度延伸方向，切槽321的深度逐渐增大，切槽321深度大的一端部朝上设置，切槽321深度小的一端部朝下设置。沿圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，切槽321均布设置有多个。相较于相同直径的圆柱形泡沫芯体结构，切槽321的设置方式在不影响缓冲吸能效果的情况下，可使仿生泡沫芯体结构相较于圆柱形泡沫芯体结构质量减轻。
41.优选沿圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，切槽321均布设置有四个。此时圆柱形泡沫芯体结构的半径h2r1、切槽321的宽度h2l1、切槽321最大深度与最小深度之间的差值h2l2以及两个对称设置的切槽321在最大深度位置处的槽底之间的距离h2l3之间的比值为h2r1:h2l1:h2l2:h2l3＝4:3:1:4。
42.如图9和图10所示，第三缓冲结构33为仿生蜂窝结构，该仿生蜂窝结构包括至少一个蜂窝组件331，每个蜂窝组件331包括多个顺序设置的蜂窝单元332。
43.每个蜂窝单元332均包括一个圆形晶胞332a和对称设置在该圆形晶胞332a的相对两侧的正五边形晶胞332b，正五边形晶胞332b的一个顶点与圆形晶胞332a的外侧周面直接或间接连接。与传统的正六边形晶胞的蜂窝结构相比，该仿生蜂窝结构具有较好的抗冲击效果，且重量相对较轻。
44.本实施例中，每个蜂窝单元332中，正五边形晶胞332b的一个顶点与圆形晶胞332a的外侧周面通过筋板332c连接。此时圆形晶胞332a的直径h3d1、正五边形晶胞的外接圆的直径h3d2以及筋板的长度h3l1之间的比值h3d1:h3d2:h3l1＝2:4:1。
45.各蜂窝组件331中，各蜂窝单元332沿第三方向顺序设置，第三方向与吸能腿的长度方向垂直，第三方向可与第一方向和第二方向相同或不同。蜂窝组件331沿与第三方向相垂直的第四方向依次顺序设置有多组，从而使仿生蜂窝结构形成矩阵结构形式。在相邻的两个蜂窝单元332之间，相邻的端点或端面相连接，从而使仿生蜂窝结构形成整体结构，使其具有良好的缓冲吸能效果。
46.第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33沿吸能腿长度延伸方向上的长度相同。
47.第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33三者中相邻两者之间均通过隔板34间隔设置，隔板34为一较薄的硬质金属片。第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三
缓冲结构33均分别与隔板34抵触即可，无需连接。这样可避免各级缓冲结构在发生变形时相互影响。
48.本实施例中给出一种具体的缓冲机构的结构，具体为：第一缓冲结构31、第二缓冲结构32和第三缓冲结构33从下向上顺序设置，如图4所示，且在该缓冲机构中，仿生泡沫芯体结构中切槽321的位置分别与仿生薄壁结构中第一圆弧部311和第二圆弧部312的位置相对应。
49.为探究本发明的吸能腿的轻量化和吸能特性，对吸能腿进行了压缩试验。图12为单个吸能腿在承受压缩载荷时的载荷位移曲线。在试验过程中，首先发生变形的是仿生蜂窝结构，与仿生蜂窝结构单独加载时的载荷曲线基本一致。由于仿生泡沫芯体结构做了仿生减重设计，而仿生薄壁结构的管壁相对于圆管的截面面积小，二者有同时发生变形的趋势，因此，从图12中的载荷位移曲线可以看到，后半段的载荷位移曲线是复合型的，即仿生泡沫芯体结构的稳步上升波形与仿生薄壁结构的波动波形组合而成。通过试验获得该缓冲机构的吸能特性见表1。
50.表1缓冲机构的吸能特性
[0051][0052]
实施例2
[0053]
如图11所示，本发明的着陆器包括机体100、辅助支架200、足垫300以及实施例1中给出的吸能腿。
[0054]
辅助支架200用于限制吸能腿的外伸宽度，起到固定吸能腿的作用。足垫300用于增大吸能腿与地面的接触面积，足垫300的底部采用钢制实心结构。
[0055]
主腿1的上端部与机体100转动连接。副腿2的下端部与足垫300转动连接。辅助支架200的一端部与机体100转动连接，辅助支架200的另一端部与主腿1转动连接。
[0056]
本实施例中，吸能腿、辅助支架200和足垫300一一对应设置有四组。
[0057]
由于本发明的仿生缓冲吸能腿的设计，使得着陆器在着陆过程中，通过将冲击动能转化为缓冲机构的变形能和内能，使得缓冲机构能够很好的起到缓冲吸能的作用，一方面，增强了着陆器的抗冲击能力，另一方面，减轻了着陆器的整体质量。
[0058]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种仿生缓冲吸能腿，包括均沿上下方向延伸的主腿和副腿，所述主腿具有沿其长度方向延伸的管腔，所述副腿上部位于所述主腿的管腔中并能够沿所述主腿的管腔的长度延伸方向相对所述主腿滑动地设置，所述副腿的下部向下伸出到所述主腿的管腔的外部，所述吸能腿还包括设置在所述主腿的管腔中并位于所述主腿的上部的内端面和所述副腿的上端面之间的缓冲机构，其特征在于：所述缓冲机构包括均沿所述吸能腿的长度方向延伸的第一缓冲结构、第二缓冲结构和第三缓冲结构，所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三缓冲结构自所述副腿的上端面向上沿所述吸能腿的长度延伸方向不限次序依次顺序设置，所述第一缓冲结构为仿生薄壁结构，所述第二缓冲结构为自圆柱形泡沫芯体结构的外侧周面向内设置切槽形成的仿生泡沫芯体结构，所述切槽贯穿所述圆柱形泡沫芯体结构的长度方向上的两端部，沿所述切槽的长度延伸方向，所述切槽的深度逐渐增大，所述切槽深度大的一端部朝上设置，所述切槽深度小的一端部朝下设置，沿所述圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，所述切槽均布设置有多个，所述第三缓冲结构为仿生蜂窝结构，所述仿生蜂窝结构包括至少一个蜂窝组件，每个所述蜂窝组件包括多个顺序设置的蜂窝单元，每个所述蜂窝单元均包括圆形晶胞和对称设置在所述圆形晶胞的相对两侧的正五边形晶胞，所述正五边形晶胞的一个顶点与所述圆形晶胞直接或间接连接。2.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：所述仿生薄壁结构的横截面包括向外凸的第一圆弧部和向内凹的第二圆弧部，所述第一圆弧部对称设置在所述横截面的第一方向上的相对两侧，所述第二圆弧部对称设置在所述横截面的第二方向上的相对两侧，所述第一方向和所述第二方向相垂直，所述横截面还包括分别设置在各相邻的所述第一圆弧部和所述第二圆弧部之间并与所述第一圆弧部和所述第二圆弧部均相切的第三圆弧部。3.根据权利要求2所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：所述第一圆弧部的半径、所述第二圆弧部的半径、所述第三圆弧部的半径以及所述第二圆弧部的弦长之间的比值为10:10:2:11。4.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：沿所述圆柱形泡沫芯体结构的周向方向，所述切槽均布设置有四个。5.根据权利要求4所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：所述圆柱形泡沫芯体结构的半径、所述切槽的宽度、所述切槽最大深度与最小深度的差值以及两个对称设置的所述切槽在最大深度位置处的槽底之间的距离之间的比值为4:3:1:4。6.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：每个所述蜂窝单元中，所述正五边形晶胞的一个顶点与所述圆形晶胞通过筋板连接，所述圆形晶胞的直径、所述正五边形晶胞的外接圆的直径、所述筋板的长度的比值为2:4:1。7.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：每个所述蜂窝组件中，各所述蜂窝单元沿第三方向顺序设置，所述蜂窝组件沿垂直于所述第三方向的第四方向顺序设置有多组，相邻的两个所述蜂窝单元相邻的端点或端面相连接。8.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三缓冲结构沿所述吸能腿长度延伸方向上的长度相同。9.根据权利要求1所述的仿生缓冲吸能腿，其特征在于：所述第一缓冲结构、所述第二缓冲结构和所述第三缓冲结构三者中相邻两者之间均通过隔板间隔设置。
10.一种着陆器，其特征在于：具有如权利要求1～9中任一项所述的吸能腿，所述着陆器还包括机体、辅助支架和足垫，所述主腿的上端部与所述机体转动连接，所述副腿的下端部与所述足垫转动连接，所述辅助支架的一端部与所述机体转动连接，所述辅助支架的另一端部与所述主腿转动连接，所述吸能腿、所述辅助支架和所述足垫一一对应设置有多组。

技术总结
本发明公开了一种仿生缓冲吸能腿及着陆器，吸能腿包括主腿、副腿和设在主腿和副腿之间的缓冲机构，缓冲机构包括自副腿的上端面向上不限次序依次顺序设置的第一缓冲结构、第二缓冲结构和第三缓冲结构，第一缓冲结构为仿生薄壁结构，第二缓冲结构为自圆柱形泡沫芯体结构的外侧周面向内设置切槽形成的仿生泡沫芯体结构，切槽从下向上深度逐渐增大，第三缓冲结构为仿生蜂窝结构，仿生蜂窝结构包括至少一个蜂窝组件，每个蜂窝组件包括多个顺序设置的蜂窝单元，每个蜂窝单元均包括圆形晶胞和对称设置在圆形晶胞的相对两侧的正五边形晶胞，正五边形晶胞的一个顶点与圆形晶胞直接或间接连接。本发明的仿生缓冲吸能腿缓冲吸能效果好，且质量轻。且质量轻。且质量轻。


技术研发人员：宋家锋 许述财 邹猛 黄彬兵 殷绩伟 李少鹏 朱勇
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/5/12