CN111470036B - 一种抗坠撞单腿缓冲结构及腿式起落架 - Google Patents

Abstract

本发明属于垂直起降飞行器起落装置技术领域，公开了一种抗坠撞单腿缓冲结构及腿式起落架，采用主动控制的方法，解决垂直起降飞行器降落过程中的坠撞吸能问题。基于仿生学理念设计，通过：机构运动主动控制降低过载峰值、缓冲器阻尼耗能、结构受控塑形变形破坏三级吸缓/冲能方式，辅以阻抗主动控制方法，将大幅降低撞击峰值过载，有效降低冲击动能向机身传递，因而对增加结构安全性、提高乘员坠毁生存力具有显著作用；同时，起落架缓冲吸能效率的提高，一定程度上降低了机身坠撞吸能要求，对降低机身结构重量具有积极意义。

Description

一种抗坠撞单腿缓冲结构及腿式起落架

技术领域

本发明属于垂直起降飞行器起落装置技术领域，尤其涉及一种抗坠撞单腿缓冲结构及腿式起落架，应用于执行特殊任务需求的垂直起降飞行器的起落架设计，以满足复杂及极端条件下的抗坠撞需求。

背景技术

垂直起降飞行器由于具有垂直起飞着陆、空中定点悬停、低速飞行、低空超低空飞行、原地转向、向任意方向飞行等特点，在起飞着陆场地受限、飞行空间狭小、要求执行低空低速任务的场合下，其作为一种理想飞行器，有着广阔的应用前景。

现阶段，应用于垂直起降飞行器的起落架多为滑橇式结构，对于较大重量的垂直起降飞行器采用轮式起落架。但是传统的起落架存在诸多应用限制，比如非平整地面、野外环境等需要紧急降落的情况时。此时，在垂直起降飞行器遇到紧急情况坠落时以及飞行环境十分复杂时，易发生坠毁的现象。

例如，在***战争中，美军一架“黑鹰”直升机在沙漠地区实施紧急着陆时，由于对带有坡度的着陆沙场判断不准确，导致旋翼扬起的大面积沙尘，使飞行员产生错觉而无法实施正常操纵，直升机失去控制坠毁。又例如，高速下降时，涡流环急剧恶化，导致升力迅速下降，易造成直升机下降速度不可控，美国V-22倾转旋翼直升机在试飞阶段两次非常引人注目的坠毁就是由于涡流环。所以，这就需要衡量起落架***和抗坠撞能力。抗坠毁能力是衡量垂直起降飞机性能的重要指标，起落架对减轻硬着陆结构损伤、提高乘员生存率具有至关重要的作用。由于传统起落架采用塑形变形吸能或缓冲器吸能，坠毁吸能效率不足60％。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种抗坠撞单腿缓冲结构及腿式起落架，用于提高垂直起降飞行器在仿生坠撞事故时的吸能效率，以提高坠毁生存力。由于腿式起落架采用对称的多腿设计，本发明提出该型起落架的单腿设计构型与方法。在军民用领域，该发明能够很大程度上提高垂直起降飞行器的安全性能，提高其回收率和利用率，打破垂直起降飞行器的着陆场景限制，有助于提高着陆安全性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案一：

一种抗坠撞单腿缓冲结构，所述单腿缓冲结构包括：第一主动缓冲关节、仿生腿式起落架股节、仿生腿式起落架胫节以及胫节缓冲器和足端缓冲器；

所述仿生腿式起落架股节与所述仿生腿式起落架胫节通过所述第一主动缓冲关节连接，所述胫节缓冲器安装在仿生腿式起落架胫节中部，所述足端缓冲器安装在仿生腿式起落架胫节末端。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)所述胫节缓冲器由缓冲器上法兰板、缓冲器外套筒、填充吸能材料、第一连接螺栓、第二连接螺栓和缓冲器下法兰板组成；

所述缓冲器上法兰板通过第一连接螺栓与仿生腿式起落架胫节上部连接，缓冲器下法兰板通过第二连接螺栓与仿生腿式起落架胫节下部连接，缓冲器外套筒安装在缓冲器上法兰板和缓冲器下法兰板之间，填充吸能材料固定安装于缓冲器外套筒内部。

(2)所述所述填充吸能材料采用蜂窝铝或者泡沫铝材料。

(3)所述足端缓冲器由足端缓冲器套筒、缓冲弹簧、缓冲结构、球铰和足底橡胶组成；

所述足端缓冲器套筒安装在仿生腿式起落架胫节的末端，缓冲弹簧和缓冲结构安装于足端缓冲套筒的内部，且所述缓冲弹簧围绕在缓冲结构的外侧；所述足底橡胶和所述缓冲结构通过球铰连接。

(4)所述缓冲结构采用橡胶、海绵或者树脂实现。

(5)所述足底橡胶为半球形橡胶。

技术方案二：

一种抗坠撞腿式起落架，包括起落架安装接口，多个如技术方案一所述的抗坠撞单腿缓冲结构，多个第二主动缓冲关节；

所述多个抗坠撞单腿缓冲结构中的仿生腿式起落架股节的上端通过对应的第二主动缓冲关节安装在起落架安装接口上，所述起落架安装接口固定安装在垂直起降飞行器上。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

所述起落架安装接口内部设置有一个旋转关节，实现起落架安装接口的转向。

本发明提供了一种抗坠撞腿式起落架，采用主动控制的方法，用于解决垂直起降飞行器降落过程中的坠撞吸能问题。本发明提出的起落架基于仿生学理念设计，坠毁吸能模式和传统起落架有本质区别，通过：(i)机构运动主动控制降低过载峰值、(ii)缓冲器阻尼耗能、(iii)结构受控塑形变形破坏三级吸缓/冲能方式，辅以阻抗主动控制算法，将大幅降低撞击峰值过载，有效降低冲击动能向机身传递，因而对增加结构安全性、提高乘员坠毁生存力具有显著作用；同时，起落架缓冲吸能效率的提高，一定程度上降低了机身坠撞吸能要求，对降低机身结构重量具有积极意义。本发明技术方案可有效提高垂直起降飞行器的着陆安全性，打破传统起落架应用环境的诸多限制，顺应了飞行器复杂环境适应性的发展趋势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的抗坠撞腿式起落架示意图；

图2为本发明实施例提供的胫节缓冲器示意图；

图3为本发明实施例提供的足底缓冲器示意图；

图4为本发明实施例提供的足底缓冲器工作过程示意图，其中，(a)为伸长状态，(b)为压缩状态；

图5为本发明实施例提供的主动缓冲关节控制起落架位姿变化示意图，其中，(a)为着陆前状态，(b)为着陆后状态；

图6为本发明实施例提供的应急坠撞工作过程示意图，其中，(a)为着陆前状态，(b)为着陆后状态；

图中：1—垂直起降飞行器，2—起落架安装接口，3—抗坠撞腿式起落架，4—主动缓冲关节，5—胫节缓冲器，6—足端缓冲器，7—旋转关节，31—仿生腿式起落架胫节，32—仿生腿式起落架股节，51—缓冲器上法兰板，52—缓冲器外套筒，53—填充吸能材料，54—连接螺栓，55—缓冲器下法兰板，61—足端缓冲器套筒，62—缓冲弹簧，63—缓冲结构，64—球铰球窝，65—球铰球头，66—足底橡胶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的抗坠撞腿式起落架3通过起落架安装接口2安装于垂直起降飞行器1上，抗坠撞腿式起落架3(有多个单腿缓冲结构组成)的每条单腿缓冲结构由仿生腿式起落架胫节31、仿生腿式起落架股节32、主动缓冲关节4、胫节缓冲器5和足端缓冲器6组成。

所述起落架安装接口2为抗坠撞腿式起落架3的安装架，根据具体垂直起降飞行器1的结构适配，为铝合金、钛合金、复合材料等高强轻质材料制成，预制多种类型抗坠撞腿式起落架3的配套接口，可根据任务需要选择安装抗坠撞腿式起落架3的数量。起落架安装接口2内部设置有一个旋转关节7，实现仿生腿式起落架的转向。

抗坠撞腿式起落架3由多条(可以是3条、4条和6条)结构相同的单腿组成，每条腿有2个自由度，通过2套主动缓冲关节4实现，腿分为2节，缓冲结构安装于胫节，分别通过胫节缓冲器5和足端缓冲器6实现。

所述主动缓冲关节4每条腿安装2套，分别安装于仿生腿式起落架胫节31与仿生腿式起落架股节32之间、仿生腿式起落架股节32与起落架安装接口2之间，通过调节抗坠撞腿式起落架3的姿态和运动速度吸收着陆载荷，适应着陆地形。

如图2所示，所述胫节缓冲器5安装于仿生腿式起落架胫节31之间，由缓冲器上法兰板51、缓冲器外套筒52、填充吸能材料53、连接螺栓54和缓冲器下法兰板55组成。缓冲器上法兰板51通过连接螺栓54与仿生腿式起落架胫节31上半部分连接，缓冲器下法兰板55通过连接螺栓54与仿生腿式起落架胫节31下半部分连接，缓冲器上法兰板51、下法兰板55均为具有对应强度和刚度的铝合金制材料。缓冲器外套筒52安装在缓冲器上法兰板51、缓冲器下法兰板55之间，为薄壁铝管结构。填充吸能材料53固定安装于缓冲器外套筒52内部，为蜂窝铝或泡沫铝材料。

如图3所示，所述足端缓冲器6安装于仿生腿式起落架胫节31的末端，足端缓冲器套筒61与仿生腿式起落架胫节31的末端，缓冲弹簧62和缓冲结构63安装于足端缓冲器套筒61的内部，缓冲弹簧62围绕在缓冲结构63外侧，缓冲结构63可以为橡胶、海绵、树脂等材料。足底采用一块半球形的足底橡胶66缓冲，足底橡胶66与缓冲结构63通过球铰连接，其中缓冲结构63的底部与球铰球窝64连接，足底橡胶66与球铰球头65连接。

具体实施例1：复杂地面着陆缓冲

应用于复杂地面着陆缓冲时，是指正常缓慢着陆的情况，此时地面载荷较小，无法达到胫节缓冲器5的工作启动阈值，所以此时胫节缓冲器5处于非压缩状态，起到着陆时支撑的作用。着陆过程为2级缓冲的模式。

着陆时，先通过3D雷达***确定地面的地形情况，抗坠撞腿式起落架3根据地形情况在主动缓冲关节4的作用下完成姿态的预摆，此时尽可能保证腿部伸直且仿生腿式起落架胫节31处于垂直地面的状态，保证着陆时多条腿的足端足底橡胶66同时触地。足底橡胶66触地后，由于地面载荷的作用会产生作用于抗坠撞腿式起落架3的反作用力且主动缓冲关节4会受到反扭矩的作用，通过安装于动缓冲关节4的扭矩传感器会检测到扭矩的变化，说明足端已经触地。

触地后，***开始发挥2级缓冲的作用，2级缓冲同时工作，综合作用，起到吸收着陆冲击能量，减小地面载荷的作用。

足端缓冲器6为***的第一级缓冲，时被动缓冲吸能的过程。其工作过程为足底橡胶66触地后，起到减小地面载荷的作用，将力通过球铰64、65传递给缓冲材料，使得缓冲弹簧62和缓冲结构63在外力作用下压缩，以进一步减小地面载荷。球铰64、65可以用来避免应为地面不平坦原因造成的压缩过程卡滞。缓冲弹簧62和缓冲结构63在压缩和释放过程中，缓冲弹簧62和足端缓冲器套筒61内壁会产生摩擦，缓冲弹簧62和缓冲结构63也会产生摩擦，通过摩擦力产生阻力，消耗能量，避免回弹。足端缓冲器6的受力压缩和回弹伸长如图4所示。

主动缓冲关节4为***的第二级缓冲，为主动缓冲控制的过程。通过足端缓冲器6只能在触地瞬间吸收很小一部分能量，无法满足起落架的缓冲需求，需要通过主动缓冲关节4根据具体的需要实现主动缓冲。主动缓冲关节4通过改变抗坠撞腿式起落架3在着陆过程中的位姿增加缓冲行程，进而减小地面载荷。主动缓冲关节由伺服电机、驱动器、制动器、扭矩传感器和控制***组成。当控制***得到扭矩传感器反馈的扭矩信号时，控制驱动器驱动伺服电机运转，减小扭矩，使抗坠撞腿式起落架3由“站姿”变为“蹲姿”，实现缓冲。伺服电机在转动时，驱动仿生腿式起落架胫节31和仿生腿式起落架股节32的运动，运动过程中制动器作用会产生摩擦力，消耗***冲击能量。主动缓冲关节4控制起落架***位姿变化如图5所示。

具体实施例2：应急坠撞

应用于应急坠撞着陆时，如10.2m/s速度坠落，此时垂直起降飞行器1的飞控***出现故障，无法做到及时反馈与实时控制，着陆时间也比较短。由于较大的着陆速度造成较大的地面载荷，达到胫节缓冲器5的工作启动阈值，所以着陆后胫节缓冲器5处于被动压缩状态，起到耗散能量的目的，具体压缩的情况也根据着陆能量确定。此时的着陆过程为3级缓冲的模式。

除了与“具体实施例1：复杂地面着陆缓冲”中说明的相同过程的2级缓冲外，激发填充吸能材料53的冲击状态结构破坏模式，可以吸收坠撞能量，降低垂直冲击过载。在坠撞过程中，基于连杆结构“死点”，通过主动缓冲关节4将抗坠撞腿式起落架3进行调整，使腿部处于死点位置且仿生腿式起落架胫节31处于垂直地面的姿态，主要通过胫节缓冲器5吸收坠撞产生的能量。缓冲器外套筒52和填充吸能材料53产生塑性变形，吸收坠撞过程的能量，缓冲器外套筒52的直径和长度以及填充吸能材料53的设计情况根据抗坠撞要求和垂直起降飞行器的型号确定。

本发明技术方案通过：

(1)安装抗坠撞腿式起落架可以保证垂直起降飞行器在紧急着陆和意外坠撞情况下的安全性，保证大下沉速度情况下的着陆安全，有效提高飞行器和坠毁生存力；

(2)打破传统式起落架在降落时对着陆地面和外界环境的要求，提高垂直起降飞行器的着陆安全性，防止由于地面平整度与坡度的问题造成的垂直起降飞行器侧翻和旋翼打地；

(3)应用于有人垂直起降飞行器是，可以降低对飞行员驾驶经验的依赖性，减少由于人为操作不当原因造成的坠毁事故。

本发明的主要创新点

本发明提出的抗坠撞腿式起落架改变原起落架的被动缓冲模式为主动缓冲模式，垂直起降飞行器着陆后，通过关节吸能、缓冲器吸能和足底弹性吸能将着陆能量吸收，可根据机身状态和实际着陆能量实时调整，改变原缓冲器的吸能模式。

本发明提出的抗坠撞腿式起落架可以适应不同的着陆地形，当地面不平坦或存在坡度时，可以通过改变各条腿的姿态适应着陆地形，打破原只能在平坦铺砌跑道和停机坪着陆的现状。

本发明提出的抗坠撞腿式起落架具有多种着陆模式，正常的着陆情况下，起落架仅起到缓冲的作用，当出现应急坠撞的情况时，可根据着陆载荷的大小自动触发采用坠撞吸能模式，有效保护垂直起降飞行器的着陆安全。

本发明提出的抗坠撞腿式起落架采用三级吸能模式，可更好的吸收能量，避免某一级失效造成的意外情况。并且在坠撞着陆瞬间，采用缓冲结构与机械结构吸能的模式，不会给驱动电机***增加反向扭矩，可以更好的保护驱动***的安全和机身结构件的安全。

Claims (6)

1.一种抗坠撞单腿缓冲结构，其特征在于，所述单腿缓冲结构包括：第一主动缓冲关节、仿生腿式起落架股节、仿生腿式起落架胫节以及胫节缓冲器和足端缓冲器；

所述仿生腿式起落架股节与所述仿生腿式起落架胫节通过所述第一主动缓冲关节连接，所述胫节缓冲器安装在仿生腿式起落架胫节中部，所述足端缓冲器安装在仿生腿式起落架胫节末端；

所述胫节缓冲器由缓冲器上法兰板、缓冲器外套筒、填充吸能材料、第一连接螺栓、第二连接螺栓和缓冲器下法兰板组成；

所述缓冲器上法兰板通过第一连接螺栓与仿生腿式起落架胫节上部连接，缓冲器下法兰板通过第二连接螺栓与仿生腿式起落架胫节下部连接，缓冲器外套筒安装在缓冲器上法兰板和缓冲器下法兰板之间，填充吸能材料固定安装于缓冲器外套筒内部；

所述足端缓冲器由足端缓冲器套筒、缓冲弹簧、缓冲结构、球铰和足底橡胶组成；

所述足端缓冲器套筒安装在仿生腿式起落架胫节的末端，缓冲弹簧和缓冲结构安装于足端缓冲套筒的内部，且所述缓冲弹簧围绕在缓冲结构的外侧；所述足底橡胶和所述缓冲结构通过球铰连接。

2.根据权利要求1所述的一种抗坠撞单腿缓冲结构，其特征在于，所述填充吸能材料采用蜂窝铝或者泡沫铝材料。

3.根据权利要求1所述的一种抗坠撞单腿缓冲结构，其特征在于，所述缓冲结构采用橡胶、海绵或者树脂实现。

4.根据权利要求1所述的一种抗坠撞单腿缓冲结构，其特征在于，所述足底橡胶为半球形橡胶。

5.一种抗坠撞腿式起落架，其特征在于，包括起落架安装接口，多个如权利要求1-4中任一项所述的抗坠撞单腿缓冲结构，多个第二主动缓冲关节；

所述多个抗坠撞单腿缓冲结构中的仿生腿式起落架股节的上端通过对应的第二主动缓冲关节安装在起落架安装接口上，所述起落架安装接口固定安装在垂直起降飞行器上。

6.根据权利要求5所述的一种抗坠撞腿式起落架，其特征在于，所述起落架安装接口内部设置有一个旋转关节，实现起落架安装接口的转向。

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