着陆缓冲机构是着陆器实现月球或行星探测软着陆的关键部件之一,它直接关系到软着陆探测任务的成败。文章根据着陆缓冲机构的功能和特点,提出了从概念设计、方案比较到方案确定、详细分析和试验验证的方案设计流程,并结合月球着陆器着陆缓冲机构的研制经验,对每个阶段的设计方法进行了阐述,可供后续深空探测任务着陆缓冲机构设计借鉴和参考。
针对带液体晃动的月球着陆器提出了一种基于无源性的姿态控制方法.分析了由拉格朗日力学建立数学模型的带液体晃动的月球着陆器系统的特性,并证明了该系统的无源性.无源性保证了系统的输入输出稳定性,提出的Lyapunov函数保证了系统的内部稳定性.根据系统的无源性和提出的Lya-punov函数推导出基于无源性的控制方法.仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果.
中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验(模拟的月球重力场下)和1/6模型试验(地球重力场下)两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。
基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.
首先基于MSC.Nastran/MSC.Adams软件建立了模拟月球着陆器的动力学模型,并利用模拟月球着陆器在地面冲击试验来验证仿真模型的正确性,重点关注缓冲机构与结构连接处的载荷,结构特征点的加速度响应,以及缓冲器的工作行程。然后利用模拟着陆器地面试验结果修正动力学分析模型,研究表明:着陆器结构和缓冲机构的柔性对缓冲性能具有较大的影响。最后,把动力学分析模型中的模拟结构更换成真实结构,进行着陆器在月球表面的着陆冲击仿真分析,从而获得模拟着陆器地面试验与着陆器在月面着陆的冲击缓冲性能差异。
构造了一种旁路式结构的磁流变缓冲器,将其应用到月球软着陆系统中用来减振与缓冲。基于机械-月面系统的特性,建立了1/4月球着陆器软着陆地面冲击模型,考虑到磁流变的高速流、高剪切环境,采用Hershel-Bulkley模型来分析该缓冲器的磁流变力学特性。基于线性最优控制理论,求解出最优控制力,采用状态跳跃控制算法来实现着陆器软着陆的半主动控制,并与采用被动控制、最优控制算法的着陆器进行了对比分析。研究结果表明:该旁路结构磁流变缓冲器能够产生可控的阻尼力,而且采用的状态跳跃半主动控制算法能很好地降低过载,确保月球着陆器安全着陆;在着陆后期,缓冲器恢复到初始状态,能保证着陆器升空再着陆。
介绍了软着陆机构仿真模型,提出了着陆稳定性判据和稳定性边界的离散化搜寻策略,并以实际算例给出了由着陆器着陆瞬时的竖直速度、水平速度、偏航角和月面倾角等主要影响因素确定的着陆稳定性边界。分析结果表明:对称着陆比非对称着陆更稳定;横向速度较大时支柱联接点容易发生强度破坏;当着陆面存在坡度时,横向速度沿下坡方向相对于沿上坡方向而言,着陆器更容易翻倒。
以哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心研制的四腿桁架式月球着陆器样机为研究对象,通过简化模型,导出了着陆器着陆过程中各个着陆脚和着陆器质心在惯性坐标系中的位置坐标方程,以此位置坐标方程为依据得到了着陆器准静态稳定性条件.通过分析着陆器与月面着陆时瞬态动力学行为,得到了着陆器在此瞬态的各动力学参数的计算公式,以此为依据,并离散时间变量,给出了可以程序化实现整个动态着陆过程动力学模拟的计算过程,为进一步研究着陆过程动力学行为奠定了基础.
在未来月球探测中,需要对一些地形复杂的区域进行探测,而在这些区域软着陆,潜在的危险性增加,这就要求着陆时具有较高的定位精度并能够自动避险。当前,由于着陆时定点的误差较大,在小范围安全地域准确着陆很难。研究了一种精确定位、安全的软着陆方式,它在软着陆过程中增加了悬停阶段。在这一阶段中,通过着陆区危险地域的识别、着陆地点位置误差的计算,加上对着陆器横向漂移的控制技术,使着陆地点的精度以及着陆生存率大为提高,能够满足未来月球探测的软着陆要求。
根据月球着陆器初步构型方案,辐射器可采取平行平坦月表安装和倾斜安装两种方式,安装方式不同时辐射器将面临不同的外热流环境。文章通过分析辐射器采取不同安装方式时的散热能力,对辐射器安装方式进行了优化设计。