一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置

1.本发明涉及一种火星旋翼飞行器及反推减速装置，属于航空航天领域。


背景技术：

2.火星南半球保留了完整的地质演化特征，具有较高科学研究价值。由于南半球地貌特殊、地形崎岖，不适宜火星漫游车行驶，因此目前人类仅限于北半球的平原区域开展巡视探测活动。美国在2021年于火星表面开展了“机智号”直升机的演示飞行，证明了旋翼式火星飞行器的可行性。为拓展火星探测系统的巡视范围、提高巡视探测效率，可利用旋翼式飞行器开展火星南半球探测。为具备较强的带载能力，火星飞行器需具备大尺寸旋翼与机身。为满足发射环境的尺寸包络要求，飞行器需具备可折展的功能。南半球不具备可供探测器着陆的大面积平原地貌，这要求火星飞行器在空中完成解锁和展开动作。为解决旋翼式火星飞行器的收纳和空中展开功能，需要设计一种能使火星飞行器在空中缓速下降的反推装置，并可以在空中实现飞行器机身和旋翼的解锁和展开。此外，火星飞行器的折叠锁紧机构需具备自动解锁和展开功能，以避免地球与火星间较远的通讯距离延误控制指令。


技术实现要素：

3.本发明为解决现有火星飞行器无法实现机身和旋翼在空中解锁和展开的问题，进而提出一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置。
4.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括降落伞、背罩、背罩与探测器连接架、背罩抛离爆炸螺栓、两个旋翼解锁机构、旋翼飞行器、四个着陆腿解锁机构、反推减速机构和防热大底；旋翼飞行器设置在背罩内，背罩的底边与防热大底的上表面连接，背罩的顶部与降落伞连接，背罩与探测器连接架的上端与背罩内的顶部连接，背罩与探测器连接架的下端通过背罩抛离爆炸螺栓与反推减速机构连接，旋翼飞行器的两对旋翼各通过一个旋翼解锁机构连接在一起，四个着陆腿机构分别安装在旋翼飞行器的四个着陆腿上，反推减速机构安装在旋翼飞行器的底部。
5.进一步的，旋翼飞行器包括机身、四个旋翼臂、四个着陆腿展开扭簧、四个着陆腿和四个旋翼组件；四个着陆腿均布设置在机身的下部，每个着陆腿的上端通过着陆腿展开扭簧与机身连接，四个旋翼臂均布设置在机身的四周，每个旋翼臂的内端与机身的上部固定连接，每个旋翼臂的外端固定安装一个所述旋翼组件，每个着陆腿通过着陆腿解锁机构固定在反推减速机构上。
6.进一步的，每个所述旋翼组件包括多个桨叶、多个桨叶可展铰链、上旋翼推进电机和下旋翼推进电机；上旋翼推进电机和下旋翼推进电机上下对称固定安装在旋翼臂的外端；桨叶通过桨叶可展铰链安装在上旋翼推进电机的电机轴和下旋翼推进电机的电机轴上。
7.进一步的，旋翼解锁机构包括四个解锁金属丝、旋翼解锁绳架、四个弹性绳、四个导热丝和四个桨叶包带；旋翼解锁绳架安装在反推减速机构上，上旋翼推进电机的电机轴
上的两个桨叶折叠后的端部通过桨叶包带连接在一起，下旋翼推进电机的电机轴上的两个桨叶折叠后的端部通过桨叶包带连接在一起，弹性绳的一端与旋翼解锁绳架连接，弹性绳的另一端与桨叶包带连接，每个桨叶包带内均嵌入一个解锁金属丝，弹性绳的末端与导热丝连接，导热丝与解锁金属丝连接。
8.进一步的，着陆腿解锁机构包括着陆腿解锁机架、着陆腿左夹板、着陆腿右夹板、着陆腿解锁螺栓和着陆腿解锁弹簧；着陆腿解锁机架安装在反推减速机构上，着陆腿左夹板和着陆腿右夹板并排设置，着陆腿左夹板的下端通过着陆腿解锁弹簧与着陆腿右夹板的下端连接，着陆腿左夹板的下端与着陆腿右夹板的下端均与着陆腿解锁机架连接，着陆腿左夹板的上端与着陆腿右夹板的上端夹紧着陆腿，着陆腿左夹板下部的内侧面通过着陆腿解锁螺栓与着陆腿右夹板下部的内侧面连接。
9.进一步的，反推减速机构包括反推平台、飞行器安装轴、燃料储箱和多个反推发动机；飞行器安装轴竖直设置在反推平台的上表面，飞行器安装轴的下端与反推平台上表面的凸台固定连接，飞行器安装轴的上端穿过旋翼飞行器的机身中部的通孔后与背罩抛离爆炸螺栓连接，燃料储箱固定在反推平台下表面的中部，多个反推发动机均布固定在反推平台的下表面。
10.进一步的，反推减速机构还包括多个着陆腿缓冲垫；多个着陆腿缓冲垫均布设置在反推平台上表面凸台的边缘，且每个着陆腿缓冲垫均与一个着陆腿相对应。
11.本发明的有益效果是：
12.1、本发明可以有效实现火星旋翼飞行器、反推减速装置及机身和旋翼锁解机构的一体化设计；
13.2、本发明可以有效实现火星旋翼飞行器和反推减速装置在背罩和防热大底内的高折展比收纳；
14.3、本发明可以简单可靠地实现火星飞行器和反推减速装置之间的连接和锁定，使用均布的四个机身锁解机构实现机身的高效解锁和可靠展开；
15.4、本发明可以简单可靠地实现多组旋翼桨叶的锁紧和联合展开，使用热刀-弹性绳机构减小锁解机构在展开过程中产生振动破坏的可能性。
附图说明
16.图1是本发明的立体结构示意图；
17.图2是旋翼飞行器展开后的立体结构示意；
18.图3是旋翼飞行器折叠后与反推减速机构的俯视图；
19.图4是旋翼飞行器折叠后与反推减速机构的主视图；
20.图5是图3中a向示意图；
21.图6是图4中b处放大示意图；
22.图7是图5中c处放大示意图。
具体实施方式
23.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可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置包括降落伞1、背罩2、背罩与探测器连接架3、背罩抛
离爆炸螺栓4、两个旋翼解锁机构5、旋翼飞行器6、四个着陆腿解锁机构7、反推减速机构8和防热大底9；旋翼飞行器6设置在背罩2内，背罩2的底边与防热大底9的上表面连接，背罩2的顶部与降落伞1连接，背罩与探测器连接架3的上端与背罩2内的顶部连接，背罩与探测器连接架3的下端通过背罩抛离爆炸螺栓4与反推减速机构8连接，旋翼飞行器6的两对旋翼各通过一个旋翼解锁机构5连接在一起，四个着陆腿机构7分别安装在旋翼飞行器6的四个着陆腿上，反推减速机构8安装在旋翼飞行器6的底部。
24.本实施方式中翼飞行器6通过飞行器安装轴8-2安装在反推平台8-1中央上方，通过着陆腿锁解机构7实现着陆腿在收拢状态下的锁紧；反推减速装置8通过中央飞行器安装轴8-2顶端与背罩抛离爆炸螺栓4连接，进一步与背罩与探测器连接架3连接，从而与背罩2连接；背罩2的顶端与降落伞1连接，底部与防热大底9连接。
25.本实施方式中反推平台8-1和飞行器安装轴8-2固定连接，且飞行器安装轴8-2呈花键形状，确保火星旋翼飞行器1与反推平台8-1无相对转动的自由度，如此可通过着陆腿锁紧机构7实现飞行器机身的锁定。
26.具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的旋翼飞行器6包括机身6-4、四个旋翼臂6-3、四个着陆腿展开扭簧6-5、四个着陆腿6-8和四个旋翼组件；四个着陆腿6-8均布设置在机身6-4的下部，每个着陆腿6-8的上端通过着陆腿展开扭簧6-5与机身6-4连接，四个旋翼臂6-3均布设置在机身6-4的四周，每个旋翼臂6-3的内端与机身6-4的上部固定连接，每个旋翼臂6-3的外端固定安装一个所述旋翼组件，每个着陆腿6-8通过着陆腿解锁机构7固定在反推减速机构8上。
27.机身6-4中央有一个呈花键槽形状的通孔，该形状与飞行器安装轴8-2的截面形状一致，可确保与飞行器安装轴8-2存在一个移动自由度；机身6-4四周均匀分布、连接四个旋翼臂6-3，每个旋翼臂末端从下到上依次安装下旋翼推进电机6-7和上旋翼推进电机6-6，其中下旋翼推进电机6-7为中空外转子电机，上旋翼推进电机6-6为内转子电机，上旋翼推进电机6-6的安装座穿过下旋翼推进电机6-7的中央通孔；上旋翼推进电机6-6和下旋翼推进电机6-7均通过桨叶可展铰链6-2与桨叶6-1连接；机身6-4底部通过着陆腿展开扭簧6-5连接着陆腿6-8。
28.本实施方式中，桨叶可展铰链6-2在弯折状态下具有弹性，失去约束后会恢复变形，伸直之后刚度相对变大，以确保桨叶6-1在展开状态下具有较高刚度；桨叶可展铰链6-2在桨叶折叠锁定状态下弯折约90
°
；着陆腿6-8可在着陆腿展开扭簧6-5作动下绕机身6-4旋转一定角度，展开状态下，着陆腿展开扭簧6-5处于自然角度，着陆腿6-8被折叠至与机身6-4轴线垂直时，着陆腿展开扭簧6-5变形，失去约束后会恢复至自然角度。
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说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的每个所述旋翼组件包括多个桨叶6-1、多个桨叶可展铰链6-2、上旋翼推进电机6-6和下旋翼推进电机6-7；上旋翼推进电机6-6和下旋翼推进电机6-7上下对称固定安装在旋翼臂6-3的外端；桨叶6-1通过桨叶可展铰链6-2安装在上旋翼推进电机6-6的电机轴和下旋翼推进电机6-7的电机轴上。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
31.具体实施方式四：结合图3、图4和图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的旋翼解锁机构5包括四个解锁金属丝5-1、旋翼解锁绳架5-2、四个弹性绳5-3、四个导热丝5-4和四个桨叶包带5-5；旋翼解锁绳架5-2安装在反推减速机构8上，上旋翼推进电机6-6的电机轴上的两个桨叶6-1折叠后的端部通过桨叶包带5-5连接在一起，下旋翼推进电机6-7的电机轴上的两个桨叶6-1折叠后的端部通过桨叶包带5-5连接在一起，弹性绳5-3的一端与旋翼解锁绳架5-2连接，弹性绳5-3的另一端与桨叶包带5-5连接，每个桨叶包带5-5内均嵌入一个解锁金属丝5-1，弹性绳5-3的末端与导热丝5-4连接，导热丝5-4与解锁金属丝5-1连接。
32.旋翼解锁绳架5-2底部连接在反推平台8-1上并保持竖直，内部安装弹性绳5-3；弹性绳5-3从旋翼解锁绳架5-2的孔内伸出并连接在桨叶包带5-5上，弹性绳5-3末端与导热丝5-4连接；桨叶包带5-5内嵌入解锁金属丝5-1，解锁金属丝5-1熔断后，桨叶包带5-5会打开并解除对桨叶6-1的约束；导热丝5-4与解锁金属丝5-1连接，控制解锁金属丝5-1的熔断。
33.本实施方式中，旋翼飞行器6的8组旋翼桨叶由两个旋翼桨叶解锁机构5约束并锁定，每个旋翼解锁绳架5-2有两个高度不同的同轴孔，每个孔内分别伸出两根弹性绳5-3，每个弹性绳5-3连接一个桨叶包带5-5，每个桨叶包带5-5约束两片桨叶6-1。
34.其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。
35.具体实施方式五：结合图5和图7说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的着陆腿解锁机构7包括着陆腿解锁机架7-1、着陆腿左夹板7-2、着陆腿右夹板7-3、着陆腿解锁螺栓7-4和着陆腿解锁弹簧7-5；着陆腿解锁机架7-1安装在反推减速机构8上，着陆腿左夹板7-2和着陆腿右夹板7-3并排设置，着陆腿左夹板7-2的下端通过着陆腿解锁弹簧7-5与着陆腿右夹板7-3的下端连接，着陆腿左夹板7-2的下端与着陆腿右夹板7-3的下端均与着陆腿解锁机架7-1连接，着陆腿左夹板7-2的上端与着陆腿右夹板7-3的上端夹紧着陆腿6-8，着陆腿左夹板7-2下部的内侧面通过着陆腿解锁螺栓7-4与着陆腿右夹板7-3下部的内侧面连接。
36.着陆腿锁解机架7-1安装在反推平台8-1上部侧边，其上有一个转轴，该转轴与反推平台8-1的平面垂直；着陆腿左夹板7-2和着陆腿右夹板7-3可绕着陆腿锁解机架7-1的轴旋转，利用其上的圆弧面夹持着陆腿6-8；着陆腿左夹板7-2和着陆腿右夹板7-3之间安装着陆腿解锁弹簧7-5和着陆腿解锁螺栓7-4。
37.本实施方式中四个着陆腿锁解机构7均匀分布在反推平台8-1上，分别夹持四个着陆腿6-8。
38.其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
39.具体实施方式六：结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的反推减速机构8包括反推平台8-1、飞行器安装轴8-2、燃料储箱8-3和多个反推发动机8-5；飞行器安装轴8-2竖直设置在反推平台8-1的上表面，飞行器安装轴8-2的下端与反推平台8-1上表面的凸台固定连接，飞行器安装轴8-2的上端穿过旋翼飞行器6的机身6-4中部的通孔后与背罩抛离爆炸螺栓4连接，燃料储箱8-3固定在反推平台8-1下表面的中部，多个反推发动机8-5均布固定在反推平台8-1的下表面。
40.反推减速装置8搭载旋翼飞行器6，底部中央布置燃料储箱8-3；两个反推发动机8-5组成一对，反推平台8-1底部均匀分布4对反推发动机8-5；反推平台8-1上方具有一个凸
台，连接飞行器安装轴8-2，该凸台棱边均布4个着陆腿缓冲垫8-4，用于防止着陆腿6-8释放瞬间与反推平台8-1碰撞产生破坏。
41.其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
42.具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种可在空中解锁展开的火星旋翼飞行器及反推减速装置的反推减速机构8还包括多个着陆腿缓冲垫8-4；多个着陆腿缓冲垫8-4均布设置在反推平台8-1上表面凸台的边缘，且每个着陆腿缓冲垫8-4均与一个着陆腿6-8相对应。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
43.工作原理
44.火星大气再入与背罩抛离：背罩2与防热大底9连接在一起，内部放置旋翼飞行器6和反推减速装置8等，作为一个整体再入火星大气。进入火星大气后，降落伞1打开，为整体系统减速。当到达一定高度后，防热大底9被抛离，背罩抛离爆炸螺栓4作动，断开背罩与探测器连接架3和反推减速装置8之间的连接。反推减速装置8携带旋翼飞行器6在重力作用下以较快速度下降，并远离慢速降落的背罩和降落伞。四组反推发动机8-5点火，继续降低反推减速装置8的下降速度，并调整反推减速装置8的姿态，使反推平台8-1保持水平。当反推减速装置8下降到火星低空时，旋翼桨叶锁解机构5和着陆腿锁解机构7先后作动，释放旋翼飞行器6。
45.火星旋翼飞行器的折叠：旋翼飞行器6的桨叶6-1和着陆腿6-8均被折叠，以收纳入背罩2内进入火星大气。两片桨叶6-1组成一组旋翼，两组旋翼上下共轴布置构成一组共轴双旋翼，旋翼飞行器6包含均匀分布的四组共轴双旋翼。同一组旋翼的两片桨叶绕旋翼轴折叠约90
°
至两桨叶展向平行，并被桨叶包带5-5约束，此时桨叶可展铰链6-2变形并储存用于展开的弹性能量。旋翼飞行器6被分为两侧，同侧的两组共轴双旋翼上的四组桨叶转至平行位置，被同一个旋翼桨叶解锁机构5锁定。着陆腿6-8被折叠至与机身6-4轴线垂直的位置，着陆腿展开扭簧6-5被压缩，并储存用于展开的变形能量。
46.旋翼桨叶解锁过程：桨叶包带5-5将两片桨叶6-1包裹住，限制其相对运动，弹性绳5-3牵拉桨叶包带5-5并使其锁定在目标折叠位置。当反推减速装置8使整个系统下降到火星低空大气层中时，导热丝5-4发热，与其接触的解锁金属丝5-1升温、熔断，这使桨叶包带5-5断开。失去约束的桨叶6-1在桨叶可展铰链6-2的作动下展开到工作位置。弹性绳5-3拉动导热丝5-4和断开的桨叶包带5-5，收缩进入旋翼解锁绳架5-2的孔中。
47.着陆腿与机身解锁过程：旋翼桨叶展开后，上旋翼推进电机6-6和下旋翼推进电机6-7带动桨叶6-1旋转。着陆腿解锁螺栓7-4在火工作动下断开，着陆腿解锁弹簧7-5推动着陆腿左夹板7-2和着陆腿右夹板7-3相对转动，进而解除对着陆腿6-8的锁定。在着陆腿展开扭簧6-5的作动下，着陆腿向下旋转至工作状态。在着陆腿展开过程中，着陆腿6-8与着陆腿缓冲垫8-4接触，并推动机身6-4沿飞行器安装轴8-2向上运动，实现机身解锁。旋转桨叶产生升力，拉动旋翼飞行器6持续向上运动，直至远离反推减速装置8。起飞后，旋翼飞行器6独立执行巡视探测任务。
48.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。