一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置

1.本发明涉及一种飞行器及释放与部署装置，属于航天飞行器技术领域。


背景技术：

2.目前火星地表勘探的主要方式是火星车，火星车属于轮式机器人，其移动范围受地形影响严重。由于火星表面存在多种地貌，仅有部分地貌适合火星车执行勘探任务。而火星飞行器的活动范围不受地貌影响，可在勘探多种地貌的同时，协助火星车执行任务。并且现已证实火星旋翼飞行器的可行性。
3.火星四旋翼飞行器操作方式简单、灵活，相较于其他构型，更为适合火星环境。但四旋翼飞行器机械结构部分尺寸大，结构不紧凑。为使飞行器结构紧凑以便执行航天任务，需要对飞行器进行折展。
4.火星飞行器均依托于着陆器及火星车，在飞行器展开完成后，需将飞行器部署在火星地表。为简化辅助结构，折展与部署过程需协调配合。但目前没有合适的火星四旋翼飞行器结构、折展及部署方案。


技术实现要素：

5.本发明为解决目前没有合适的火星四旋翼飞行器结构、折展及部署方案的问题，进而提出一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置。
6.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括着陆器、底部翻转部件、外包络部件、多自由度机械臂和火星飞行器；底部翻转部件和多自由度机械臂并排安装在着陆器的上表面，外包络部件的底部安装在底部翻转部件上，火星飞行器倒立设置在外包络部件内。
7.进一步的，底部翻转部件包括翻转电机、一级伸缩臂、二级伸缩臂和翻转连接件；翻转电机固定安装在着陆器的上表面，一级伸缩臂的末端与翻转电机的电机轴固定连接，二级伸缩臂的末端插入一级伸缩臂的首端内，翻转连接件与二级伸缩臂的首端固定连接，外包络部件与翻转连接件连接。
8.进一步的，外包络部件包括外包络盖、外包络壳体、火工品一、包带、多个火工品二和两个牵引组件；外包络壳体的顶部设有开口，外包络盖盖装在外包络壳体顶部的开口上，且外包络盖的边缘通过多个火工品二与外包络壳体顶部开口处的边缘连接，外包络壳体的底部与翻转连接件固定连接，外包络壳体的底部通过包带与着陆器的圆柱形固定端固定连接，火星飞行器倒立设置在外包络壳体内，火星飞行器的顶部通过火工品一与外包络壳体内的底面连接，外包络壳体顶部开口的外侧对称设有所述牵引组件。
9.进一步的，每个所述牵引组件包括两个定滑轮、牵引绳和牵引电机；牵引电机固定安装在外包络壳体顶部开口的外侧，两个定滑轮对称设置在外包络壳体顶部开口的内侧和外侧，牵引绳的一端与牵引电机的电机轴固定连接，牵引绳的另一端绕过两个定滑轮后与飞火星飞行器连接。
10.进一步的，火星飞行器包括四个推进电机、四个桨夹、四组桨叶、采样机构、四个旋翼臂、机身、四个锁紧连杆组件、四个旋翼臂连接组件和太阳能电池板；四个旋翼臂均布设置在机身的四周，每个旋翼臂的内端通过旋翼臂连接组件与机身连接，每个旋翼臂的外端安装一个推进电机，推进电机的电机轴上安装一组桨叶，每组桨叶通过桨夹折叠在一起，太阳能电池板安装在机身的顶部，采样机构安装在机身的底部，每个旋翼臂的内容通过一个锁紧连杆组件与机身贴合。
11.进一步的，火星飞行器还包括四个轮组部件和四个支撑腿在；四个支撑腿呈矩形设置在机身的底部，每个支撑腿的上端与机身的底面固定连接，每个支撑腿的下端安装一个轮组部件。
12.本发明的有益效果是：本发明提出的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，采用了火星四旋翼飞行器旋翼臂、支撑腿等部件的折展方案，收拢后整体尺寸小，折展过程简单；同时提出了向下释放部署方案，减少了部署所需辅助机构，降低了结构复杂度及部署难度，对火星飞行器折展及部署等具有重要意义。
附图说明
13.图1是本发明的整体结构示意图；
14.图2是在外包络部件内火星飞行器折叠结构剖视图；
15.图3是外包络壳体及牵引装置三维示意图；
16.图4是火星飞行器折叠结构三维示意图；
17.图5是底部翻转部件三维示意图；
18.图6是着陆器及火星飞行器初始状态三维示意图；
19.图7是包络盖去除状态三维示意图；
20.图8是包络整体翻转状态三维示意图；
21.图9是飞行器向下牵引状态三维示意图；
22.图10是飞行器倒立释放完成状态三维示意图；
23.图11是火星飞行器起飞准备状态三维示意图；
24.图12是火星飞行器飞行状态三维示意图。
具体实施方式
25.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置包括着陆器1、底部翻转部件2、外包络部件3、多自由度机械臂4和火星飞行器5；底部翻转部件2和多自由度机械臂4并排安装在着陆器1的上表面，外包络部件3的底部安装在底部翻转部件2上，火星飞行器5倒立设置在外包络部件3内。
26.具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置的底部翻转部件2包括翻转电机2-1、一级伸缩臂2-2、二级伸缩臂2-3和翻转连接件2-4；翻转电机2-1固定安装在着陆器1的上表面，一级伸缩臂2-2的末端与翻转电机2-1的电机轴固定连接，二级伸缩臂2-3的末端插入一级伸缩臂2-2的首端内，翻转连接件2-4与二级伸缩臂2-3的首端固定连接，外包络部件3与翻转连接件2-4连接。
27.底部翻转部件2中一级伸缩臂2-2、二级伸缩臂2-3间为同轴伸缩筒式结构，具有移
动副；翻转电机2-1与一级伸缩臂2-2连接并提供翻转驱动力；翻转连接件2-4与二级伸缩臂2-3和外包络部件3中外包络壳体3-2进行固定；在翻转过程中，二级伸缩臂2-3会带动外包络部件2整体翻转，并且同时会向外伸展。
28.多自由度机械臂4固定端与着陆器1完成连接固定，用于火工品二3-5爆炸后，拿掉外包络盖3-1。
29.其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
30.具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置的外包络部件3包括外包络盖3-1、外包络壳体3-2、火工品一3-3、包带3-4、多个火工品二3-5和两个牵引组件；外包络壳体3-2的顶部设有开口，外包络盖3-1盖装在外包络壳体3-2顶部的开口上，且外包络盖3-1的边缘通过多个火工品二3-5与外包络壳体3-2顶部开口处的边缘连接，外包络壳体3-2的底部与翻转连接件2-4固定连接，外包络壳体3-2的底部通过包带3-4与着陆器1的圆柱形固定端固定连接，火星飞行器5倒立设置在外包络壳体3-2内，火星飞行器5的顶部通过火工品一3-3与外包络壳体3-2内的底面连接，外包络壳体3-2顶部开口的外侧对称设有所述牵引组件。
31.外包络部件2底部连接部分与着陆器1圆柱形固定端，通过包带3-3完成连接固定；外包络盖3-1与外包络壳体3-2通过火工品二3-5完成连接固定；外包络壳体3-2与火星飞行器5通过火工品一3-3完成连接固定；外包络壳体3-2上端两斜侧面固定有两个牵引电机3-8，牵引绳3-7通过定滑轮3-6一端固定在牵引电机3-8转动轴上，另一端固定在火星飞行器5中的销轴上，用于提供向下展开驱动力，实现飞行器向下释放；外包络盖3-1与外包络壳体3-2内部具有多处形约束，用于完成火星飞行器5中桨叶5-5，旋翼臂5-7及轮组部件5-3的压紧固定约束；火星飞行器5中旋翼臂连接件5-10上两侧外伸杆与外包络壳体3-2侧面上滑道进行连接，完成飞行器抬升过程中的导向。
32.其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
33.具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置的每个所述牵引组件包括两个定滑轮3-6、牵引绳3-7和牵引电机3-8；牵引电机3-8固定安装在外包络壳体3-2顶部开口的外侧，两个定滑轮3-6对称设置在外包络壳体3-2顶部开口的内侧和外侧，牵引绳3-7的一端与牵引电机3-8的电机轴固定连接，牵引绳3-7的另一端绕过两个定滑轮3-6后与飞火星飞行器5连接。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
34.具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置的火星飞行器5包括四个推进电机5-1、四个桨夹5-2、四组桨叶5-5、采样机构5-6、四个旋翼臂5-7、机身5-8、四个锁紧连杆组件5-9、四个旋翼臂连接组件5-10和太阳能电池板5-11；四个旋翼臂5-7均布设置在机身5-8的四周，每个旋翼臂5-7的内端通过旋翼臂连接组件5-10与机身5-8连接，每个旋翼臂5-7的外端安装一个推进电机5-1，推进电机5-1的电机轴上安装一组桨叶5-5，每组桨叶5-5通过桨夹5-2折叠在一起，太阳能电池板5-11安装在机身5-8的顶部，采样机构5-6安装在机身5-8的底部，每个旋翼臂5-7的内容通过一个锁紧连杆组件5-9与机身5-8贴合。
35.火星飞行器5折叠后，收拢至外包络部件3内，完成固定；太阳能电池板5-11及采样机构5-6均与机身5-8进行固定连接，旋翼臂5-7及支撑腿5-4与机身5-2通过转动副完成连
接固定，关节处均有涡卷弹簧用于提供回复力；锁紧连杆组件5-9一端与旋翼臂连接件5-10连接，另一端与机身5-8连接，用于旋翼臂5-7展开后的锁定；桨叶5-5通过螺栓与桨夹5-2完成连接，此处未进行周向固定，具有转动副，在推进电机5-1开始转动后，两片桨叶5-5会因离心力变为共线；桨夹5-2与推进电机5-1连接后，整体与旋翼臂5-7完成连接固定；轮组部件5-3与支撑腿5-4通过螺栓完成连接固定，连接处具有转动副。为了折叠，轮组部件5-3整体转动后，抵在外包络壳体侧表面；在展开过程中，重新转动至原位置。
36.其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
37.具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置的火星飞行器5还包括四个轮组部件5-3和四个支撑腿在5-4；四个支撑腿5-4呈矩形设置在机身5-8的底部，每个支撑腿5-4的上端与机身5-8的底面固定连接，每个支撑腿5-4的下端安装一个轮组部件5-3。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
38.工作原理
39.如图1至图12所示，火星飞行器的展开与部署过程如下：
40.着陆器1到达指定位置后，外包络部件3中火工品二3-5爆炸后，外包络盖3-1与外包络壳体3-2间变为可分离状态，多自由度机械臂4将外包络盖3-1取下，去除部分形约束；包带3-4爆炸后，外包络部件3与着陆器1变为可分离状态；底部翻转部件2中翻转电机2-1转动，带动一级伸缩臂2-2、二级伸缩臂2-3、翻转连接件2-4及外包络部件3整体转动；在翻转过程中，二级伸缩臂2-3向外伸展，完成翻转臂的伸长；在翻转180
°
到达指定位置后，火工品一3-3爆炸，火星飞行器5与外包络壳体3-2变为可分离状态；牵引电机3-8通过定滑轮3-6、牵引绳3-7及机身5-8上所连接的销轴5-12带动飞行器向下释放；在向下释放过程中，旋翼臂连接件5-10两侧外伸短杆与外包络壳体3-2侧面滑道间形约束及轮组部件5-3与外包络壳体3-2斜侧面间形约束起到导向作用；在向下释放到指定位置时，销轴5-12与机身5-8分离，火星飞行器5处于向下自由落体状态，向下降落到火星表面。在此过程中，形约束不起作用，轮组部件5-3由于涡卷弹簧弹力，转动至指定角度，完成展开；旋翼臂5-7同样由于涡卷弹簧弹力，转动至指定角度，锁紧连杆组件5-9完成锁紧；此时火星飞行器倒立释放完成，底部翻转部件2将外包络壳体3-2翻转回初始位置；推进电机5-1通过桨夹5-2带动桨叶5-5转动，为飞行器提供升力，完成火星飞行器5起飞。
41.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：所述一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置包括着陆器(1)、底部翻转部件(2)、外包络部件(3)、多自由度机械臂(4)和火星飞行器(5)；底部翻转部件(2)和多自由度机械臂(4)并排安装在着陆器(1)的上表面，外包络部件(3)的底部安装在底部翻转部件(2)上，火星飞行器(5)倒立设置在外包络部件(3)内。2.根据权利要求1所述的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：底部翻转部件(2)包括翻转电机(2-1)、一级伸缩臂(2-2)、二级伸缩臂(2-3)和翻转连接件(2-4)；翻转电机(2-1)固定安装在着陆器(1)的上表面，一级伸缩臂(2-2)的末端与翻转电机(2-1)的电机轴固定连接，二级伸缩臂(2-3)的末端插入一级伸缩臂(2-2)的首端内，翻转连接件(2-4)与二级伸缩臂(2-3)的首端固定连接，外包络部件(3)与翻转连接件(2-4)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：外包络部件(3)包括外包络盖(3-1)、外包络壳体(3-2)、火工品一(3-3)、包带(3-4)、多个火工品二(3-5)和两个牵引组件；外包络壳体(3-2)的顶部设有开口，外包络盖(3-1)盖装在外包络壳体(3-2)顶部的开口上，且外包络盖(3-1)的边缘通过多个火工品二(3-5)与外包络壳体(3-2)顶部开口处的边缘连接，外包络壳体(3-2)的底部与翻转连接件(2-4)固定连接，外包络壳体(3-2)的底部通过包带(3-4)与着陆器(1)的圆柱形固定端固定连接，火星飞行器(5)倒立设置在外包络壳体(3-2)内，火星飞行器(5)的顶部通过火工品一(3-3)与外包络壳体(3-2)内的底面连接，外包络壳体(3-2)顶部开口的外侧对称设有所述牵引组件。4.根据权利要求3所述的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：每个所述牵引组件包括两个定滑轮(3-6)、牵引绳(3-7)和牵引电机(3-8)；牵引电机(3-8)固定安装在外包络壳体(3-2)顶部开口的外侧，两个定滑轮(3-6)对称设置在外包络壳体(3-2)顶部开口的内侧和外侧，牵引绳(3-7)的一端与牵引电机(3-8)的电机轴固定连接，牵引绳(3-7)的另一端绕过两个定滑轮(3-6)后与飞火星飞行器(5)连接。5.根据权利要求1所述的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：火星飞行器(5)包括四个推进电机(5-1)、四个桨夹(5-2)、四组桨叶(5-5)、采样机构(5-6)、四个旋翼臂(5-7)、机身(5-8)、四个锁紧连杆组件(5-9)、四个旋翼臂连接组件(5-10)和太阳能电池板(5-11)；四个旋翼臂(5-7)均布设置在机身(5-8)的四周，每个旋翼臂(5-7)的内端通过旋翼臂连接组件(5-10)与机身(5-8)连接，每个旋翼臂(5-7)的外端安装一个推进电机(5-1)，推进电机(5-1)的电机轴上安装一组桨叶(5-5)，每组桨叶(5-5)通过桨夹(5-2)折叠在一起，太阳能电池板(5-11)安装在机身(5-8)的顶部，采样机构(5-6)安装在机身(5-8)的底部，每个旋翼臂(5-7)的内容通过一个锁紧连杆组件(5-9)与机身(5-8)贴合。6.根据权利要求5所述的一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，其特征在于：火星飞行器(5)还包括四个轮组部件(5-3)和四个支撑腿在(5-4)；四个支撑腿(5-4)呈矩形设置在机身(5-8)的底部，每个支撑腿(5-4)的上端与机身(5-8)的底面固定连接，每个支撑腿(5-4)的下端安装一个轮组部件(5-3)。

技术总结
一种火星四旋翼飞行器及滑道式倒立释放与部署装置，它涉及一种飞行器及释放与部署装置。本发明为了解决目前没有合适的火星四旋翼飞行器结构、折展及部署方案的问题。本发明包括着陆器、底部翻转部件、外包络部件、多自由度机械臂和火星飞行器；底部翻转部件和多自由度机械臂并排安装在着陆器的上表面，外包络部件的底部安装在底部翻转部件上，火星飞行器倒立设置在外包络部件内。本发明属于航天飞行器技术领域。术领域。术领域。


技术研发人员：唐德威 董雅超 全齐全 朱凯杰 蔡皓 邓宗全
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/6/26