一種垂直起降運載器著陸支腿設計與展開控制
發(fā)布時間：2021-11-03 16:56
目前,實現垂直起降運載器可重復使用是降低發(fā)射成本的有效途徑之一。當運載器完成著陸場返回后,需依靠著陸支撐機構的展開、鎖定及緩沖吸能三階段的協同配合,最終實現平穩(wěn)軟著陸。針對運載器著陸支撐機構,提出一種六桿式支撐機構構型,通過四連桿機構實現展開與收攏動作,利用雙鎖緊機構型式實現鎖定動作,依據機構自鎖原理完成單向運動。通過對實際展開工況進行分析,提出主動+隨動控制方式和全程作動控制方式。在著陸支撐機構展開過程動力學建模的基礎上,分別對兩種展開運動控制策略進行優(yōu)化。并完成不同控制方案對比分析,最終確定合理展開驅動方案,為運載器支撐機構的研制和展開控制提供技術支持。
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(19)北大核心EICSCD
【文章頁數】：11 頁
【部分圖文】：
驅動部件結構圖主動電動機在初始時刻推動單向機構向下運
、單向機構及鎖緊機構組成。結構如圖2所示。圖2驅動部件結構圖主動電動機在初始時刻推動單向機構向下運動，由于鋼球與斜槽、鎖緊下連桿表面擠壓實現自鎖，從而導致鎖緊上連桿與下連桿產生相對運動，并通過單向機構內壓力傳感器完成驅動力測量。當鎖緊上、下連桿相對速度較大時，可依靠單向機構反向非自鎖性實現相對運動。當支撐機構完成展開動作后，鎖緊上、下連桿間依靠鎖緊機構實現鎖定，由于落地瞬間鎖緊銷剪切方向振動較大，為確保鎖緊機構可靠，本文采用雙鎖緊機構實現鎖定動作。工作流程如圖3所示：①運載器在裝配運輸過程中通過保險銷進行預緊，限制一次鎖定機構擋銷運動，此時二次鎖定機構處于預壓狀態(tài)；②運載器發(fā)射前將保險銷釋放，由于支撐機構處于收攏狀態(tài)，鎖緊上連桿將限制一次鎖緊機構擋銷彈出，此時二次鎖緊機構仍處于預壓狀態(tài)；③當支撐機構展開時，鎖緊上連桿遠離一次鎖定機構擋銷，當鎖緊上連桿運動到預定位置后，一次鎖定機構擋銷彈出，隨后二次鎖定機構擋銷彈出，限制一次鎖定機構運動，從而實現二次鎖定。圖3鎖緊動作流程圖單向機構是確保有效展開的前提，若鋼球受到兩側構件支撐力FB、Fn，摩擦力fB、Ft。對鋼球擠壓過程進行受力分析，等效模型及受力如圖4所示。圖4單向機構等效模型圖假設驅動下連桿A及斜槽B為剛體，其自鎖條件：當鋼球由于物體A擠壓而產生摩擦力時，鋼球相對外滾道B接觸點不發(fā)生滾轉。若鋼球半徑為R，接觸面摩擦因數為，此時受力應滿足下式ntFF(1)對鋼球與斜槽接觸點求解力矩得(1cos)=sintnFRFR(2)聯立得到角度公式sintan=121c
工表面摩擦因數為0.1，則°12，由于實際物體存在彈性變形，實際楔形角度應小于12°，工程常用6°～8°，本文設計角度6°可滿足自鎖條件。1.2支撐機構的展收控制方式支撐機構初始時收攏于運載器外側，通過火攻裝置固定于運載器，當運載器返回后，釋放火工裝置，啟動展開程序，本文提出兩類展開控制方式，第一種為主動+隨動控制方式，驅動缸在前半程采用主動規(guī)劃控制，后半程依靠單向機構實現隨動。第二種為全程作動控制，包含兩種優(yōu)化模式，并通過規(guī)劃驅動力曲線完成展開控制，如圖5所示。圖5支撐機構展開控制方式支撐機構有效展開需要不同類型傳感器監(jiān)測實時運動狀態(tài)，當啟動釋放程序后，各傳感器間協同配合實現展開。傳感器相關信息如表1所示。表1傳感器相關信息傳感器類別安裝位置作用位移傳感器拉線式位移，固連于鎖緊下連桿測量驅動缸位移壓力傳感器圓盤式測壓，安裝于電動機輸出端測量電缸驅動力編碼器絕對值式，驅動桿與支撐筒鉸鏈處測量驅動桿角度激光傳感器對稱分布，安裝于鎖緊機構兩側監(jiān)測鎖緊狀態(tài)支撐機構有效展開需通過合理的展開方式，并配合鎖緊檢測系統共同完成，展開過程流程如圖6所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]狀態(tài)預測神經網絡控制應用于小型可回收火箭[J]. 陳書釗,楚龍飛,楊秀梅,蔡德淮. 航空學報. 2019(03)
[2]藍色起源公司“新謝潑德”飛行器及其未來發(fā)展分析[J]. 楊開,才滿瑞. 國際太空. 2018(07)
[3]獵鷹重型運載火箭[J]. Lance A.Davis. Engineering. 2018(03)
[4]垂直起降可重復使用運載器發(fā)展現狀與關鍵技術分析[J]. 崔乃剛,吳榮,韋常柱,徐大富,張亮. 宇航總體技術. 2018(02)
[5]運載火箭助推器傘控回收方案及安全性分析[J]. 徐倩,郭鳳明,蘇玲,陳彬,張宏劍. 宇航總體技術. 2017(03)
[6]藍色起源的新格倫火箭[J]. 張雪松,Nemo. 衛(wèi)星與網絡. 2017(04)
[7]新型垂直起降運載器著陸支架收放系統設計與分析[J]. 肖杰,張明,岳帥,夏昊天. 機械設計與制造工程. 2017(03)
[8]回收火箭的重要意義與關鍵技術[J]. 龐之浩. 科技導報. 2016(01)
[9]基于分段三次樣條曲線的高速加工平滑運動輪廓自適應算法研究[J]. 陳金成,徐志明,徐正飛,鐘廷修,蔣厚宗. 機械工程學報. 2002(05)
本文編號：3474030
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(19)北大核心EICSCD
【文章頁數】：11 頁
【部分圖文】：
驅動部件結構圖主動電動機在初始時刻推動單向機構向下運
、單向機構及鎖緊機構組成。結構如圖2所示。圖2驅動部件結構圖主動電動機在初始時刻推動單向機構向下運動，由于鋼球與斜槽、鎖緊下連桿表面擠壓實現自鎖，從而導致鎖緊上連桿與下連桿產生相對運動，并通過單向機構內壓力傳感器完成驅動力測量。當鎖緊上、下連桿相對速度較大時，可依靠單向機構反向非自鎖性實現相對運動。當支撐機構完成展開動作后，鎖緊上、下連桿間依靠鎖緊機構實現鎖定，由于落地瞬間鎖緊銷剪切方向振動較大，為確保鎖緊機構可靠，本文采用雙鎖緊機構實現鎖定動作。工作流程如圖3所示：①運載器在裝配運輸過程中通過保險銷進行預緊，限制一次鎖定機構擋銷運動，此時二次鎖定機構處于預壓狀態(tài)；②運載器發(fā)射前將保險銷釋放，由于支撐機構處于收攏狀態(tài)，鎖緊上連桿將限制一次鎖緊機構擋銷彈出，此時二次鎖緊機構仍處于預壓狀態(tài)；③當支撐機構展開時，鎖緊上連桿遠離一次鎖定機構擋銷，當鎖緊上連桿運動到預定位置后，一次鎖定機構擋銷彈出，隨后二次鎖定機構擋銷彈出，限制一次鎖定機構運動，從而實現二次鎖定。圖3鎖緊動作流程圖單向機構是確保有效展開的前提，若鋼球受到兩側構件支撐力FB、Fn，摩擦力fB、Ft。對鋼球擠壓過程進行受力分析，等效模型及受力如圖4所示。圖4單向機構等效模型圖假設驅動下連桿A及斜槽B為剛體，其自鎖條件：當鋼球由于物體A擠壓而產生摩擦力時，鋼球相對外滾道B接觸點不發(fā)生滾轉。若鋼球半徑為R，接觸面摩擦因數為，此時受力應滿足下式ntFF(1)對鋼球與斜槽接觸點求解力矩得(1cos)=sintnFRFR(2)聯立得到角度公式sintan=121c
工表面摩擦因數為0.1，則°12，由于實際物體存在彈性變形，實際楔形角度應小于12°，工程常用6°～8°，本文設計角度6°可滿足自鎖條件。1.2支撐機構的展收控制方式支撐機構初始時收攏于運載器外側，通過火攻裝置固定于運載器，當運載器返回后，釋放火工裝置，啟動展開程序，本文提出兩類展開控制方式，第一種為主動+隨動控制方式，驅動缸在前半程采用主動規(guī)劃控制，后半程依靠單向機構實現隨動。第二種為全程作動控制，包含兩種優(yōu)化模式，并通過規(guī)劃驅動力曲線完成展開控制，如圖5所示。圖5支撐機構展開控制方式支撐機構有效展開需要不同類型傳感器監(jiān)測實時運動狀態(tài)，當啟動釋放程序后，各傳感器間協同配合實現展開。傳感器相關信息如表1所示。表1傳感器相關信息傳感器類別安裝位置作用位移傳感器拉線式位移，固連于鎖緊下連桿測量驅動缸位移壓力傳感器圓盤式測壓，安裝于電動機輸出端測量電缸驅動力編碼器絕對值式，驅動桿與支撐筒鉸鏈處測量驅動桿角度激光傳感器對稱分布，安裝于鎖緊機構兩側監(jiān)測鎖緊狀態(tài)支撐機構有效展開需通過合理的展開方式，并配合鎖緊檢測系統共同完成，展開過程流程如圖6所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]狀態(tài)預測神經網絡控制應用于小型可回收火箭[J]. 陳書釗,楚龍飛,楊秀梅,蔡德淮. 航空學報. 2019(03)
[2]藍色起源公司“新謝潑德”飛行器及其未來發(fā)展分析[J]. 楊開,才滿瑞. 國際太空. 2018(07)
[3]獵鷹重型運載火箭[J]. Lance A.Davis. Engineering. 2018(03)
[4]垂直起降可重復使用運載器發(fā)展現狀與關鍵技術分析[J]. 崔乃剛,吳榮,韋常柱,徐大富,張亮. 宇航總體技術. 2018(02)
[5]運載火箭助推器傘控回收方案及安全性分析[J]. 徐倩,郭鳳明,蘇玲,陳彬,張宏劍. 宇航總體技術. 2017(03)
[6]藍色起源的新格倫火箭[J]. 張雪松,Nemo. 衛(wèi)星與網絡. 2017(04)
[7]新型垂直起降運載器著陸支架收放系統設計與分析[J]. 肖杰,張明,岳帥,夏昊天. 機械設計與制造工程. 2017(03)
[8]回收火箭的重要意義與關鍵技術[J]. 龐之浩. 科技導報. 2016(01)
[9]基于分段三次樣條曲線的高速加工平滑運動輪廓自適應算法研究[J]. 陳金成,徐志明,徐正飛,鐘廷修,蔣厚宗. 機械工程學報. 2002(05)
本文編號：3474030
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/hangkongsky/3474030.html
