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        航天器軟著陸專利技術綜述

        2017-09-07 01:59:50黃達飛劉京
        中國新技術新產(chǎn)品 2017年19期

        黃達飛+++劉京

        摘 要:航天器軟著陸技術按其工作方式主要有降落傘減速裝置、反推火箭、緩沖氣囊方式、軟著陸機構4類,本文通過對航天器軟著陸技術原理和國內外專利信息展開分析研究,全面分析航天器軟著陸領域的專利發(fā)展、地域分布、技術分布,從而獲得了全球航天器軟著陸技術概貌,從專利文獻的視角對航天器軟著陸技術的發(fā)展進行了系統(tǒng)分析,為我國航天器的發(fā)展提供一些參考。

        關鍵詞:航天器軟著陸;減速緩沖;軟著陸專利技術

        中圖分類號:V416 文獻標識碼:A

        隨著各國航空航天事業(yè)的發(fā)展,深空探測已經(jīng)是一個國家綜合國力和科技水平的體現(xiàn),航天器軟著陸技術已成為一種比較熱門的技術。

        深空探測任務中獲取科學數(shù)據(jù)的主要途徑是在目標天體上著陸,然后利用著陸器所攜帶科學儀器采樣分析或采樣返回地球。因此,探測器著陸技術是深空探測任務能否成功的關鍵。特別是近年來隨著科學研究的進展,科學家發(fā)現(xiàn)了很多具有高科學價值的探測區(qū)域,如月球南極可能存在水冰的區(qū)域。為了能夠對這些特定區(qū)域進行采樣探測,需要探測器具有精確定點軟著陸的能力。

        因此,為了了解航天器軟著陸的發(fā)展情況,對航天器軟著陸技術的專利分析研究至關重要。

        1. 航天器軟著陸技術概況

        軟著陸按照其緩沖裝置的不同,主要可以分為以下幾類:降落傘減速裝置、反推火箭、緩沖氣囊方式、軟著陸機構;降落傘是彈道式或半彈道式再入航天器最合適、最有效、最可靠的減速裝置。其依靠傘面所產(chǎn)生的阻力使航天器著陸時減速,從而實現(xiàn)軟著陸。如我國神州五號、六號返回艙的安全著陸就采用了降落傘減速裝置,將返回艙的下降速度逐漸減至8m/s~10m/s。反推火箭又稱著陸緩沖火箭,是一種具有動力的著陸緩沖裝置,當著陸器下降到距星球表面一定高度時,著陸火箭點火,使著陸器產(chǎn)生一個很大的反沖力,即給予一個向上的速度增量,它能在很短的時間內降低著陸器的著陸速度。它的主要特點是:相對于其他緩沖裝置它的緩沖行程較大,但點火高度難以控制。著陸緩沖火箭對于載人著陸器非常適用,它可以使著陸器以接近于零的速度著陸,使宇航員不會感到明顯的著陸沖擊。緩沖氣囊方式是當著陸器在某一高度時,著陸器向緩沖氣囊充氣,緩沖氣囊吸收著陸器著陸時的沖擊能量,起到了緩沖的作用,緩沖氣囊的優(yōu)點是具有較大的反作用力接觸面積,受壓縮行程大,因而緩沖效果明顯,但采用緩沖氣囊必須考慮著陸器的反彈及翻滾。軟著陸機構是通過由著陸腿、緩沖器、足墊、展開鎖定機構等部件組成的軟著陸機構,吸收著陸器著陸時產(chǎn)生的能量,實現(xiàn)航天器著陸情況下的軟著陸并保持著陸后的穩(wěn)定姿態(tài)。

        2. 航天器軟著陸專利技術分析

        2.1 原創(chuàng)國申請量分布

        在航天器軟著陸的全球專利申請中,美國、日本、俄羅斯、德國為主要的申請活躍地區(qū),這四個國家的總申請量占據(jù)了全球申請總量2/3,歷年來,美國、俄羅斯、德國和日本一直是全球前列的經(jīng)濟體,其在航空航天中的技術和投入一直處于領先地位,因此在航天器軟著陸這一高端技術方面一直處于領先位置。

        2.2 專利申請趨勢

        根據(jù)申請量及其增長趨勢大致可以分為5個階段。

        (1)探索萌芽階段(1962年之前)

        該階段首先出現(xiàn)了關于航天器軟著陸的專利文獻,但是由于技術上的瓶頸,以及一戰(zhàn)、二戰(zhàn)的恢復期,在1962年以前,申請量較少,各個國家處于技術的探索階段,但趨勢上可以看出專利量在逐年增加,各個國家慢慢地將發(fā)展向航空航天方向轉變。

        (2)突然增長階段(1962-1969年)

        隨著前期的技術積累,以及美蘇兩個超級大國之間的軍備競賽,航空航天成為兩國之間激烈爭奪的一個領域,20世紀60~70年代,美國和前蘇聯(lián)向月球共發(fā)射了49個無人月球探測器和8艘載人月球飛船,其中9個探測器飛越月球,6個撞擊月球,18個月球軌道器中有14個在月表著陸,先后共有12名宇航員登上了月球,共運送回382kg的月球土壤和巖石標本,進行了包括月球力學特性、氣象、月震、熱流、月面測量、磁場、太陽風等多項實驗和探測,獲得了大量的科學數(shù)據(jù)。航空航天的探索使專利申請量突然猛增。

        (3)發(fā)展緩慢時期(1970-1987年)

        由于航天的投入需求巨大,各國開始將發(fā)展中心從航空航天的軍事競賽轉移到經(jīng)濟建設中,航天器的研究開始緩慢前進,每年關于航天器軟著陸的專利申請維持在5件左右。

        (4)顯著發(fā)展時期(1988-1999年)

        隨著月球資源優(yōu)勢以及高空優(yōu)勢的逐步凸顯,由于資金問題而緩慢發(fā)展,近20年的航空航天重新回到戰(zhàn)略位置,20世紀90年代,美、俄、歐空局和日本等國又掀起了新一輪月球探測的高潮,美國和日本先后發(fā)射了“克萊門汀”、“月球勘探者”和“飛天”等月球探測器。這些探測器大多應用了電子、信息以及制造工藝等方面的新技術,取得了更豐富的探測成果,1990年的專利申請量達到了歷史高值。

        (5)發(fā)展成熟階段(2000年至今)

        航天器軟著陸專利申請量數(shù)量從2000年開始呈現(xiàn)下滑趨勢,航天器軟著陸技術發(fā)展也到了其成熟期,申請量逐漸下降,主要原因是因為航天器軟著陸技術已經(jīng)相對成熟,因此不存在實質上的改進,在這方面的專利申請更多的考慮優(yōu)化之前的專利申請。但是,中國隨著國力的增長,關于航天器軟著陸的專利申請增長顯著。

        2.3 不同技術分支專利申請情況分析

        航天器軟著陸技術的相關專利發(fā)展及研究主要分為4類,分別為降落傘減速裝置、反推火箭、緩沖氣囊方式、軟著陸機構,除了這些還有其他方式如螺旋槳減速、以及氣動外形減速,本文從全球專利申請的相關技術分支情況作進一步分析。在航天器軟著陸的相關技術研究分布中,涉及降落傘減速裝置的相關專利研究占30%,涉及軟著陸機構的占據(jù)14%,涉及緩沖氣囊的占9%,涉及反推火箭軟著陸的占4%,降落傘軟著陸是申請量大的一種軟著陸方式,反應了各個國家的研究方向,降落傘具有緩沖效率高,安全可靠的優(yōu)點,同時其結構簡單,制造成本低,因此成為航天器軟著陸中使用最廣的一種技術。

        結語

        通過VEN和CNABS數(shù)據(jù)庫收錄的專利為樣本,分析了國內外航天器軟著陸技術的專利申請趨勢、區(qū)域分布及主要申請人等,并對航天器軟著陸技術的技術發(fā)展做了進一步分析。使得自己對于軟著陸技術領域的現(xiàn)有技術發(fā)展水平有了更進一步的認識,對于以后審查該領域的案件大有裨益。

        通過以上分析,對于航天器軟著陸技術領域的現(xiàn)有技術發(fā)展水平有了更進一步的認識,有利于以后審查該領域的專利申請;同時,可以看出航天器軟著陸技術的相關重要技術起初主要集中在美國、日本等國家,目前其申請量趨于相對穩(wěn)定,而目前中國在該方面技術發(fā)展很快,中國在該領域的市場具有相當?shù)陌l(fā)展?jié)摿?,我們應當逐步掌握該領域的前沿技術,并進一步挖掘該領域的深層技術,增強我國該方面技術的競爭實力。

        參考文獻

        [1]劉煥煥.多腿式月球探測軟著陸器著陸動力學建模與仿真研究[D].中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫,2008.

        [2] 楊鐵軍.專利分析實務手冊[M].北京:知識產(chǎn)權出版社,2012.endprint

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