月球着陆器软着陆机构研制的关键问题及其解决思路

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1、月球着陆器软着陆机构研制的关键问题及其解决思路杨建 中曾福明满剑锋商红军中国空 间技术研究院总体部,北京5 142信箱8 7分箱,10 0 094关健词缓冲软着陆机构着陆器着陆腿一、引言月球探测一般分“绕、落、回”三个基本步 骤来实现,即一 首先发射月球卫星,实现绕月探测;而后发射着陆探侧器,实现月 面软着陆探测;在软着陆探测 的基础上,实现取样或载人返回。要顺利实现第二步、第三步目标,必须合理选择着陆缓 冲系统,解决软着陆间题。目前常用 的着陆缓 冲系统有缓冲气囊和软着陆机构。缓冲气囊利用充气囊体缓冲着陆时的冲击载荷,它对着陆初始条件要求不严,缓冲的速度范围较大,适用于着陆质金和体积都较小,

2、且不 再返回的探测器 的软着陆。前苏联早期的“月球“ 9号探测器,美国“机遇”号和“勇气”号 火星探测器,以及欧洲航空航天局的“猎兔犬2号”火星探测器,都采用 了缓冲气囊实现软着陆.软着陆机构一般山34条着陆腿组成,它通过着陆腿上的缓冲器缓冲着陆时的冲击。软着陆机构具有着陆姿态易于控制,且通过缓冲器 的设计,可以避免着陆过程的反弹等优点。通过多条着陆腿 的支撑,可以构成一个平台,这特别适合着陆探渊任务完成后,需要携带样品或人员再次返回地球的探侧任务。美 国的“勘察者”号月球探侧 器、“阿波罗”号载人登月舱、“海 盗号”火星探测 器,以及前苏联后期的“月球”号探测器都采用 了软着陆机构来实现软着

3、陆川。考虑到月球探侧 后期任务“落和回”的衔接性,通过软着陆机构实现着陆器的 月面软着陆是合理 的。图1所示为美国“阿波罗”号载人登月舱的一条着陆腿。一般而言,软着陆机构要具备以下功能:能够收拢、压紧及展 开、锁定,并有效缓冲着陆瞬时的冲击载荷,保证着陆器着陆过程 中的稳定性,着陆后为着陆器提供长期有效支撑。软着陆机构功能萦多、任务重大,要顺利实现软着陆机构的研制,必须突破的关键问题在于:着陆腿数量 及构型确定,合理选择缓冲方法及地面试验方法。主支柱足垫 收拢状态、玉图1“阿波罗”号登月舱着陆且组成示意图二、着 陆腿数里确定以多条着陆腿足垫中心为顶点的正多边形称为稳定性多边形。在着陆过 程 中

4、,如 果着陆器 质心沿月球重力 方 向的投影落在稳定性多边形 内,那么可以认为着陆器是 稳定的,即着陆器不会翻倒。从着陆稳定性的角度讲.跨度 相同(即稳 定多边形 的外接圆直径 相 同)的着 陆器,着陆腿数量越多,稳 定性多边形 的面积也 越大.着陆 的稳 定性就越高。图2所示分别为二条、四条和 五条着陆腿 的稳 定性 多边形。山图中的二个稳定性多边 形可知,具有五条着陆腿的着陆器稳定性 多 边形面积最大,因此稳定性最好,但着陆腿的总重 量较大。具有二条着陆腿的着陆器稳定性最 差,但着陆腿总重量最小。在着陆腿数量确定过程中,要对系统的重量、着陆 稳定性、运载火箭的包络要求等因素进 行 全面分析

5、.综合评价.最终确定着陆腿 的数量。/一狱一/z夕一叹 、_/、乓买/(a只腿.)四腿,了.腿图2稳定性多边 形三、着 陆腿构型确定根据当前已有着 陆腿 的构型不同,可以把着陆腿分成两类:即倒三角架式”和“悬臂梁式”,“月球”号探测器 和勘察者”号探测器 的着陆腿属于“倒三角架式”,如图3所示。“阿 波罗”号登月舱 的 着 陆腿属于“恳臂梁式”。对两种构型进行 比较.可以得 出以下结论LZ一。图3倒二角架式 着陆腿(1)“悬臂梁式”比“倒三角架式”着 陆腿 的 质量轻。因为“悬臂梁式”着 陆腿的辅助支柱更短。但是它的 主支柱承受 的弯矩较大,对 主支柱的刚 度要求 高。(2)“悬臂梁式”的着陆

6、腿具有更好的着陆稳定性。因 为在着陆腿展开半径 相同、缓 冲行程 相 同时,“悬臂梁式”着陆器的重 心高度下降较 少.初 始重 心 可以比“倒三角架式”设计得 更低,所以着陆稳定 性更好。(3 )“悬臂梁式”的着陆腿的缓冲可靠性更高。当着 陆腿落到凹坑中时,“倒二角架式”的着 陆腿叮能难以正常工作,而“悬臂梁式”的着陆腿 可以正常工作。从以上的分析比较可 知,两种着陆腿具有各自的优缺点,因此着陆腿的构型设计与选择需要综合考虑着陆器的着陆质量、总体构型、着陆点的地形与地貌特点等要求,在综合评价上述影响因素的基础上确定合理构型。四、缓冲方法确定根据软着陆机构的其体缓冲方 法不同,叮以分为液压阻尼法

7、、金属 变形 法 两大类。其中,金 属 变形法又包括 金属 塌陷变形、金属切削、金属塑性变形等方法,这些方法的缓 冲特性不同,要保证软着陆机构的性能可靠,合理选 择缓冲方法 是至关重 要 的。(一)液压队尼法液压阻尼法是利用液体体积不可压缩的原理实现缓冲的,即当有外力作用时,液体流经阻尼孔节流形成压力降,产生所需的缓冲限尼,从而达 到缓冲的月的。由于液体的密度、压力、猫性 系数等参数与温度密切相关,所以,要 获得稳定 的缓冲性能,就必须设法减小温度对这些参数的影响,另外,还要解决 高真空以及大溢变环境下的密封问题。美国“勘察者”号月球探测器通过液压阻尼 法成功实现了月面软着陆。在“勘察者”号月

8、面软着陆探测试验中,其中l次在着陆完成后,出现了液体介质泄漏1.(二)铝蜂窝塌陷 变形 法铝蜂窝材料的缓冲行程可以达到初始高度的8 0%,且具有非常小的密度(1 61 00k刃m)。它的缓冲能力与铝梢的材料、铝梢的厚度、芯格的尺寸有关,这些参数 受环境沮度的影响较小,因此缓 冲力稳定,非常适合月面环境下软着陆机构的着陆缓 冲。前苏联在月球软着陆探测研究过程中,曾经探讨了铝蜂窝材料缓 冲器的可行性,制作了地面样机闭。“阿波罗”载人登月舱以及“海 盗”号无人火星探测器的软着陆就采用了该方法r s 1。值得 注意的是,当铝蜂窝材 料的直径较小时,即铝蜂窝材 料 的芯 格数量较少时,会 出现铝蜂窝不规

9、则变形问题.由此导致缓冲力出现较大波动,所以,当着陆腿直径较小时 不宜采 用 该方法。(三)金属切刘法金属切 削法是 通过 切削金属 的方式来缓冲冲击载荷 的,其工作原 理 如 图4所 示,在冲击载荷作用下,金 属套筒与拉j J之间相对运动,切 削刃依次切削金属套筒,这样把冲击能量转化成为金属切削能,从而达到缓冲吸能的目的 。金属切削法的缓冲力 主要取决于套筒的材料强度、拉刀的工作齿数、切削刃的宽度和金属切削层的厚度。一般情况下,金属 切 削的 厚度 在1 0一,m m数量级,而普通机械加工的精度 也 在 这个 范围,所以,该方法 对拉刀、金 属套筒 的加 工精度及装配精度要求非常高,否则,缓

10、冲性能将出现极大波动。前苏联研制了切削式缓冲器地面试验件义。(四)薄壁金属管扩 径变形法薄壁金属管扩径变 形法是依靠扩径变形过程中的期性变形和摩擦发热来吸收 冲击能量的,图5所示为该方法的工作原理示意 图。吸能元件是由1个锥环和多个厚度不完全相同的胀环串联 而成,当外部输入冲击载荷超 过设定的闭值时,胀环依次通过锥环,由于锥环大端的外径大于胀环 的内径,所以在胀环通 过锥环时发生扩径现象.外部的冲击能量转变为胀环材料的弹、塑性变形能以及胀环和锥环之 间18的摩擦热能,从而达到缓冲吸能的目的。金属管扩径 变形时的缓 冲力.主 要与金属管变形前后 的 儿何尺寸、金属管材料的屈服极限、锥环的几何参数

11、以及摩擦系数有关,这些参数基本不受环境温度的影响,因此缓冲力比较稳定。与铝蜂窝材料相比,缓冲过程中缓冲力 的波动较大.该方 法比较适合着陆腿直径较小的情况。在选择缓冲方法时,要对冲击稳定性要求、冲击载荷 的大小、着陆腿径向尺寸、着陆腿温度控制范围以及机械加工能力等因素综合分析.这样才能确定合理的缓冲方法。/ / / / / / / / / / / / / /毛毛 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 卜卜卜川川/ / / / / / / / / / / / 夕夕夕夕夕厂厂生 二二金属套

12、筒 迎塑;谁环扩径力回l图4金 属切削法示 意 图图5薄壁金 属管扩径变形 法 示意图五、地面缓冲试验(一)单个着陆腿的缓 冲试脸着陆腿的缓冲性能直接影响着着陆器 的安全着陆,为了验证着陆腿的缓冲性能是否满足设计要求,需要通 过地面冲击试验进行充分的验证。为了验证足垫与月面土壤的冲击作用,需要专用沙箱,如 图6所示。专用沙箱的设计,包括沙箱的 儿何尺寸和回填月壤模拟土料两个方 面。沙箱儿何参数及月壤模拟土料的深度与足垫 的尺寸以及冲击载荷有关。试验前要对模拟土壤的机械性能、物理性能进行测试,试验后 要根据这些数据,对试验的结果进行处理,刁能得到在月面实际着陆 时的冲击数据。这些工作需要土壤 力

13、学专家来完成。图6着陆腿缓 冲性能试验图7软着陆机构综合缓冲性能试脸(二)着陆腿综合 缓冲性能试验着陆腿组合缓 冲性能试验是一项最复杂的试验,它不仅验证 四条着陆腿的组合缓冲性能,还 主要用来验证着陆 过程中着 陆器是否会翻倒。因此,这项试验需要模拟月 面l厂6地 球 重 力加速度的影响.图7所示,通过着陆墙倾斜一定角度来模拟月面1/ 6地球重力加速度,也可以通过配重的 方式实现,无论哪种方法,该试验都比较复杂、繁琐。随着仿真技术的发展,逐渐用仿真代替大量 的缓冲试验。通过典型工况的试验结 果对仿真数据进行验证,完善仿真模型,达到缩短试验周期,降低研制费用的 月的。六、结论软着陆机构研制是实现

14、月球探测第二步、第三 步目标 的前提,为了保证软着陆机构研制的顺利进行,必须首先解决关键问题。本文提出的关键问题及其解决思路,为早日突破软着陆机构技术莫定了技术基础。参考文献1杨建中,甘福明.火星着陆探浏缓冲气囊技术综述.中国宇航学会首属年会论文集,20 052杨建中,首福明,等.月球探测器软着陆机构综述.深空探侧专业委员会首届年会论文集,20 043F.B.SPerling.TheSu r veyorShoekAbsorber.Aerospa e eMe ehanismsSer ie s.Vol.1,1 9 7021 12 174BH .丘傲e l 服拍陈H .C比朋,no 浇切口沮眠州任p K犯K H xa n n a声T o B”a n 刀a H eTN,Mo cK皿,Ma皿H ”o c Tl x犯H H e,19785APolloExPeriene eRePortLunarModuleL andin只Ge arsub、ystem.N ASA T N D一6805作者简介杨建中,工学硕士、MBA,中国空间技术研究院总体部高级工 程师,主 要从事空间机构技术研究。邮编:10 0 094;联系电话:010一6 8 746 805;传真:010一6 8 7难6 833;E一mail:jz”ng1 23魂sina.eom.en。