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。

基于磁流变阻尼器在月球着陆器上应用的可行性及其阻尼的可控性,设计了一种磁流变缓冲装置。考虑到着陆时减速火箭的反推力影响以及着陆时地面撞击的作用,假设着陆器的着陆初始高度多变,建立了一种月球着陆器着陆地面冲击模型。根据着陆过程缓冲与减振的要求,采用了软着陆半主动多态控制策略。应用加速度与速度响应进行状态切换,并根据能量守恒原理确定出多态控制缓冲器的状态参数。3种不同被动控制进行比较分析,结果表明,半主动控制缓冲器能很好地降低着陆器着陆冲击时的过载,同时也能很好地减缓其着陆时的振动。采用半主动多态控制策略的着陆器对较高的着陆初始高度和较大的接地下沉速度的适应性很强,其缓冲效率随着着陆初始高度的增加而增加,在达到允许的最大加速度和允许的最大缓冲行程时,缓冲效率达到最高,这能很好地保障着陆器软着陆安全。

将磁流变阻尼器应用到月球着陆器着陆机构中,进行减震与缓冲。考虑到着陆初始姿态角的不定和月面斜角的未知,建立起着陆器软着陆动力学模型。基于磁流变液在高速流与长冲程时的阻尼特性,分析了磁流变阻尼器的力学特性。应用安全角面的概念定义安全着陆所要求的着陆初始姿态角与月面斜角之间的关系,建立状态跳跃控制策略,实现软着陆半主动控制。通过与某型被动控制的着陆器进行对比分析,研究了半主动控制。研究结果表明:当允许的最大加速度响应不超过8g时,磁流变半主动状态跳跃控制的安全角面为理想安全角面的0.9774,是被动控制安全角面的4.2倍,最大加速度变化的相对标准差为被动控制的0.59;而且当着陆初始姿态角以及月面斜角很大时,月球着陆器姿态角变化少,保证月球着陆器平稳着陆。

根据月球登陆器软着陆过程中对缓冲系统的要求和磁流变缓冲器特点,基于Herschel-Bulkley本构模型和登陆器软着陆的动力学方程,在Matlab/Simulink软件中建立了磁流变缓冲器缓冲的数学模型和不同冲击速度的控制电流模型,给出了月球环境中月球登陆器缓冲时不同时间的过载、速度和行程。设计了2个磁流变缓冲器,采用串联和电流控制实现了月球登陆器软着陆二级缓冲。分析结果表明:磁流变缓冲器可用于月球登陆器。