航天器軟著陸專利技術(shù)綜述

黃達(dá)飛+++劉京

摘 要：航天器軟著陸技術(shù)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(jī)構(gòu)4類，本文通過(guò)對(duì)航天器軟著陸技術(shù)原理和國(guó)內(nèi)外專利信息展開分析研究，全面分析航天器軟著陸領(lǐng)域的專利發(fā)展、地域分布、技術(shù)分布，從而獲得了全球航天器軟著陸技術(shù)概貌，從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)航天器軟著陸技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為我國(guó)航天器的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：航天器軟著陸；減速緩沖；軟著陸專利技術(shù)

中圖分類號(hào)：V416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

深空探測(cè)任務(wù)中獲取科學(xué)數(shù)據(jù)的主要途徑是在目標(biāo)天體上著陸，然后利用著陸器所攜帶科學(xué)儀器采樣分析或采樣返回地球。因此，探測(cè)器著陸技術(shù)是深空探測(cè)任務(wù)能否成功的關(guān)鍵。特別是近年來(lái)隨著科學(xué)研究的進(jìn)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多具有高科學(xué)價(jià)值的探測(cè)區(qū)域，如月球南極可能存在水冰的區(qū)域。為了能夠?qū)@些特定區(qū)域進(jìn)行采樣探測(cè)，需要探測(cè)器具有精確定點(diǎn)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(duì)航天器軟著陸技術(shù)的專利分析研究至關(guān)重要。

1. 航天器軟著陸技術(shù)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(jī)構(gòu)；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(shí)減速，從而實(shí)現(xiàn)軟著陸。如我國(guó)神州五號(hào)、六號(hào)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(dòng)力的著陸緩沖裝置，當(dāng)著陸器下降到距星球表面一定高度時(shí)，著陸火箭點(diǎn)火，使著陸器產(chǎn)生一個(gè)很大的反沖力，即給予一個(gè)向上的速度增量，它能在很短的時(shí)間內(nèi)降低著陸器的著陸速度。它的主要特點(diǎn)是：相對(duì)于其他緩沖裝置它的緩沖行程較大，但點(diǎn)火高度難以控制。著陸緩沖火箭對(duì)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(huì)感到明顯的著陸沖擊。緩沖氣囊方式是當(dāng)著陸器在某一高度時(shí)，著陸器向緩沖氣囊充氣，緩沖氣囊吸收著陸器著陸時(shí)的沖擊能量，起到了緩沖的作用，緩沖氣囊的優(yōu)點(diǎn)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(jī)構(gòu)是通過(guò)由著陸腿、緩沖器、足墊、展開鎖定機(jī)構(gòu)等部件組成的軟著陸機(jī)構(gòu)，吸收著陸器著陸時(shí)產(chǎn)生的能量，實(shí)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(shù)分析

2.1 原創(chuàng)國(guó)申請(qǐng)量分布

在航天器軟著陸的全球?qū)＠暾?qǐng)中，美國(guó)、日本、俄羅斯、德國(guó)為主要的申請(qǐng)活躍地區(qū)，這四個(gè)國(guó)家的總申請(qǐng)量占據(jù)了全球申請(qǐng)總量2/3，歷年來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)和日本一直是全球前列的經(jīng)濟(jì)體，其在航空航天中的技術(shù)和投入一直處于領(lǐng)先地位，因此在航天器軟著陸這一高端技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先位置。

2.2 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

根據(jù)申請(qǐng)量及其增長(zhǎng)趨勢(shì)大致可以分為5個(gè)階段。

（1）探索萌芽階段（1962年之前）

該階段首先出現(xiàn)了關(guān)于航天器軟著陸的專利文獻(xiàn)，但是由于技術(shù)上的瓶頸，以及一戰(zhàn)、二戰(zhàn)的恢復(fù)期，在1962年以前，申請(qǐng)量較少，各個(gè)國(guó)家處于技術(shù)的探索階段，但趨勢(shì)上可以看出專利量在逐年增加，各個(gè)國(guó)家慢慢地將發(fā)展向航空航天方向轉(zhuǎn)變。

（2）突然增長(zhǎng)階段（1962-1969年）

隨著前期的技術(shù)積累，以及美蘇兩個(gè)超級(jí)大國(guó)之間的軍備競(jìng)賽，航空航天成為兩國(guó)之間激烈爭(zhēng)奪的一個(gè)領(lǐng)域，20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)向月球共發(fā)射了49個(gè)無(wú)人月球探測(cè)器和8艘載人月球飛船，其中9個(gè)探測(cè)器飛越月球，6個(gè)撞擊月球，18個(gè)月球軌道器中有14個(gè)在月表著陸，先后共有12名宇航員登上了月球，共運(yùn)送回382kg的月球土壤和巖石標(biāo)本，進(jìn)行了包括月球力學(xué)特性、氣象、月震、熱流、月面測(cè)量、磁場(chǎng)、太陽(yáng)風(fēng)等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和探測(cè)，獲得了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。航空航天的探索使專利申請(qǐng)量突然猛增。

（3）發(fā)展緩慢時(shí)期（1970-1987年）

由于航天的投入需求巨大，各國(guó)開始將發(fā)展中心從航空航天的軍事競(jìng)賽轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，航天器的研究開始緩慢前進(jìn)，每年關(guān)于航天器軟著陸的專利申請(qǐng)維持在5件左右。

（4）顯著發(fā)展時(shí)期（1988-1999年）

隨著月球資源優(yōu)勢(shì)以及高空優(yōu)勢(shì)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(jì)90年代，美、俄、歐空局和日本等國(guó)又掀起了新一輪月球探測(cè)的高潮，美國(guó)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(cè)器。這些探測(cè)器大多應(yīng)用了電子、信息以及制造工藝等方面的新技術(shù)，取得了更豐富的探測(cè)成果，1990年的專利申請(qǐng)量達(dá)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(qǐng)量數(shù)量從2000年開始呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，航天器軟著陸技術(shù)發(fā)展也到了其成熟期，申請(qǐng)量逐漸下降，主要原因是因?yàn)楹教炱鬈浿懠夹g(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，因此不存在實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)，在這方面的專利申請(qǐng)更多的考慮優(yōu)化之前的專利申請(qǐng)。但是，中國(guó)隨著國(guó)力的增長(zhǎng)，關(guān)于航天器軟著陸的專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)顯著。

2.3 不同技術(shù)分支專利申請(qǐng)情況分析

航天器軟著陸技術(shù)的相關(guān)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(jī)構(gòu)，除了這些還有其他方式如螺旋槳減速、以及氣動(dòng)外形減速，本文從全球?qū)＠暾?qǐng)的相關(guān)技術(shù)分支情況作進(jìn)一步分析。在航天器軟著陸的相關(guān)技術(shù)研究分布中，涉及降落傘減速裝置的相關(guān)專利研究占30%，涉及軟著陸機(jī)構(gòu)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(qǐng)量大的一種軟著陸方式，反應(yīng)了各個(gè)國(guó)家的研究方向，降落傘具有緩沖效率高，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)VEN和CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的專利為樣本，分析了國(guó)內(nèi)外航天器軟著陸技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、區(qū)域分布及主要申請(qǐng)人等，并對(duì)航天器軟著陸技術(shù)的技術(shù)發(fā)展做了進(jìn)一步分析。使得自己對(duì)于軟著陸技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)于以后審查該領(lǐng)域的案件大有裨益。

通過(guò)以上分析，對(duì)于航天器軟著陸技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，有利于以后審查該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)；同時(shí)，可以看出航天器軟著陸技術(shù)的相關(guān)重要技術(shù)起初主要集中在美國(guó)、日本等國(guó)家，目前其申請(qǐng)量趨于相對(duì)穩(wěn)定，而目前中國(guó)在該方面技術(shù)發(fā)展很快，中國(guó)在該領(lǐng)域的市場(chǎng)具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Γ覀儜?yīng)當(dāng)逐步掌握該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，并進(jìn)一步挖掘該領(lǐng)域的深層技術(shù)，增強(qiáng)我國(guó)該方面技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

參考文獻(xiàn)

[1]劉煥煥.多腿式月球探測(cè)軟著陸器著陸動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究[D].中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，2008.

[2] 楊鐵軍.專利分析實(shí)務(wù)手冊(cè)[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2012.endprint