一种基于Miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统

本发明涉及返回器着陆回收的，具体涉及一种基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统。

背景技术：

1、在当前的航天技术领域中，着陆缓冲系统对于航天器的安全着陆具有至关重要的地位。航天器在着陆过程中会受到巨大的冲击和撞击，如果不能有效地缓冲和吸收这些冲击力，将对航天器和内部的设备造成破坏性的影响。因此，设计一种能够有效缓冲和吸收冲击力的着陆缓冲系统，是航天技术领域中的一项核心任务。传统的着陆缓冲系统主要由规则的几何体组成，在缓冲过程中需要使返回器的底面规整化。然而，这需要将返回器的大底抛去才能释放着陆缓冲系统，但这样会极大地增大返回器的风险。此外，传统缓冲气囊的外形多为规整的几何体外形，不太适应于乘波体外形的空天返回器，还可能造成返回器容易直接触地等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对传统缓冲气囊的缺点，提供一种易于折叠、不抛大底、能量吸收率较高的组合式缓冲气囊系统。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，用于在返回器着陆时进行缓冲；所述基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统主要由若干互相独立的圆环状气囊、压紧释放装置、单向阀门、排气孔控制器、充气装置等组成。每个圆环状气囊由两段独立的圆环状子气囊组成，充气展开后气囊弧度刚好贴紧所述返回器，第一段圆环状子气囊与返回器侧面贴合，为封闭式气囊，第二段圆环状子气囊圆环状子与返回器底面贴合，为组合式气囊，所述组合式气囊具体包括位于下半部分的排气式气囊和位于上半部分的封闭式气囊，排气孔均匀分布在排气式气囊上。第一段圆环状子气囊与返回器内部的充气装置之间相连，第二段圆环状子气囊与第一段圆环状子气囊之间的气路用单向阀门连接。着陆缓冲时，首先对第一段圆环状子气囊进行充气展开，然后再由第一段圆环状子气囊向第二段圆环状子气囊充气，使第二段圆环状子气囊充气展开。两段圆环状子气囊均由数个miura折纸单元组成，折纸单元的数量由返回器的气动外形所决定。在着陆缓冲时，首先由返回器的侧边打开压紧释放装置并释放所有圆环状气囊，然后展开第一段圆环状子缓冲气囊，通过单向阀门向第二段圆环状子缓冲气囊充气，在触地压缩后，当第二段圆环状子气囊的下半部分的内部压强达到阈值时候，排气孔控制器控制排气孔打开，通过第二段圆环状子气囊下半部分的排气式气囊对外排气释放能量实现返回器的安全着陆。在缓冲结束后可以回收缓冲气囊，按照折痕进行折叠收放。

4、上述技术方案中，进一步地，所述的返回器外形为乘波体外形，同时气囊平时收放在返回器侧面的压紧释放装置内，展开时先打开压紧释放装置并释放气囊然后再充气即可。

5、更进一步地，所述的压紧释放装置包括盖板、弹性铰链、火工分离螺栓、火工切割器和包带；压紧释放装置在收到返回器即将着陆缓冲的指令后，所述火工分离螺栓点火工作，所述盖板在所述弹性铰链的驱动下打开；当所述盖板展开到位后，所述火工切割器将所述包带切断，固定在盖板上的气囊即可被释放以便后续充气展开。

6、更进一步地，所述的圆环状气囊在地面折叠包装后，通过所述包带压紧并固定在所述盖板上；工作时，所述圆环状气囊由压紧释放装置从返回器侧面放出，充气后完全展开。

7、进一步地，每个圆环状气囊的几何特征可以不一致，具体由返回器的外形所决定。

8、进一步地，所述排气式气囊与封闭式气囊间隔设置，排气式气囊通过单向阀门与封闭式气囊贯通；所述封闭式气囊与返回器底面相接触，不同排气式气囊的排气孔面积均一致。

9、进一步地，所述系统还包括气压传感器和速度传感器，所述气压传感器用于监测返回器着陆过程中气囊的压力变化，所述速度传感器用于监测返回器着陆过程的速度变化，并基于监测到的压力和速度来控制所述单向阀门和排气孔控制器，从而实现缓冲气囊充气和排气过程的精准控制。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明采用两段式气囊设计，缓冲气囊系统首先展开第一段圆环状子气囊，然后通过第一段圆环状子气囊向第二段圆环状子气囊充气，这样可以对气囊的展开过程进行更加有效的控制。同时，由于两段圆环状子气囊的几何外形紧贴返回器外部的曲面，因此在返回过程中不需要剖掉返回器不规整的表面，从而减少了返回器上的一道工序，降低了缓冲系统的复杂性，使得返回器的返回过程更加简易，并可实现更大的有效载荷。第二段圆环状子气囊为组合式气囊，可以在获得更大的吸能效率的同时，避免返回器直接触地。此外，由于圆环状气囊的外形是基于miura折纸设计而成，因此气囊更易于进行折叠收放。并且通过气压传感器和速度传感器的监测和控制，可以更加准确地控制缓冲气囊的展开过程和吸能效率。此外，该系统还包括排气孔控制器和充气装置，可以对缓冲气囊进行更加准确的控制和调节。

技术特征：

1.一种基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，用于在返回器着陆时进行缓冲；其特征在于，所述基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统包括若干互相独立的圆环状气囊、压紧释放装置、单向阀门、排气孔控制器和充气装置；所述压紧释放装置设于返回器侧面，所述充气装置设于返回器内部；每个圆环状气囊一端与所述压紧释放装置固定连接，另一端自由；所述圆环状气囊不用时压缩置于所述压紧释放装置内；所述圆环状气囊由两段独立的圆环状子气囊组成，充气展开后气囊弧度刚好贴紧所述返回器，第一段圆环状子气囊为封闭式气囊，与所述返回器侧面贴合，第二段圆环状子气囊为组合式气囊，与所述返回器底面贴合；所述组合式气囊具体包括位于下半部分的排气式气囊和位于上半部分的封闭式气囊；在所述返回器着陆缓冲时，首先打开压紧释放装置并释放所有圆环状气囊，利用所述充气装置对第一段圆环状子气囊进行充气展开，然后打开设于第一段与第二段圆环状子气囊之间的单向阀门，由第一段圆环状子气囊向第二段圆环状子气囊充气，使第二段圆环状子气囊充气展开；在受到地面的冲击载荷后，通过所述排气孔控制器控制第二段圆环状子气囊下半部分的排气式气囊对外排气释放能量实现返回器的安全着陆。

2.根据权利要求1所述的基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，其特征在于，所述第一段和第二段圆环状子气囊的曲面均采用miura折纸样式，易于折展；所述第一段和第二段圆环状子气囊均由多个折纸单元组成，所述折纸单元的个数和设计参数由返回器的气动外形决定。

3.根据权利要求1所述的基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，其特征在于，所述的压紧释放装置包括盖板、弹性铰链、火工分离螺栓、火工切割器和包带；压紧释放装置在收到返回器即将着陆缓冲的指令后，所述火工分离螺栓点火工作，所述盖板在所述弹性铰链的驱动下打开；当所述盖板展开到位后，所述火工切割器将所述包带切断，固定在盖板上的气囊即可被释放以便后续充气展开。

4.根据权利要求3所述的基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，其特征在于，所述的圆环状气囊在地面折叠包装后，通过所述包带压紧并固定在所述盖板上；工作时，所述圆环状气囊由压紧释放装置从返回器侧面放出，充气后完全展开。

5.根据权利要求1所述的基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，其特征在于，所述排气式气囊与封闭式气囊间隔设置，排气式气囊通过单向阀门与封闭式气囊贯通。

6.根据权利要求1所述的基于miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，其特征在于，所述系统还包括气压传感器和速度传感器，所述气压传感器用于监测返回器着陆过程中气囊的压力变化，所述速度传感器用于监测返回器着陆过程的速度变化，并基于监测到的压力和速度来控制所述单向阀门和排气孔控制器，从而实现缓冲气囊充气和排气过程的精准控制。

技术总结
本发明公开了一种基于Miura折纸的圆环状组合型缓冲气囊系统，所述气囊系统包括若干互相独立的圆环状气囊、压紧释放装置、单向阀门、排气孔控制器和充气装置。本发明气囊系统满足了乘波体外形的空天返回器的着陆缓冲需求，折叠后的缓冲气囊布置在返回器的侧面，不需要抛去返回器的大底即可展开缓冲气囊。由于缓冲气囊紧贴返回器外表面，使得返回器的缓冲过程更加安全高效。同时采用折纸样式，使气囊易于折展。此外该着陆缓冲气囊能够实时监测气压和速度的变化，并通过控制单向阀门、排气孔控制器来实现缓冲气囊充气和排气过程的精准控制。

技术研发人员：徐彦,杨毅龙,陈刚,李广兴,陈华健
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4