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。

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。

针对无人月球探测器缓冲着陆运动抛投试验中对探测器缓冲着陆过程中三维姿态、三维速度等运动参数和缓冲着陆机构缓冲行程的测量,设计了基于计算机视觉的抛投试验测量系统。首先,在探测器主体结构上喷绘若干对顶角标志,并用全站仪测量出这些标志的空间坐标。然后,用高速摄像机采集探测器缓冲着陆过程的序列图像。最后,利用单目视觉的方法对标志的空间坐标及探测器的序列图像进行处理得到上述参数。该系统硬件设备简单,软件操作方便。理论分析和实验验证均表明,采用该系统测量探测器运动参数,其姿态角测量精度优于4′,运动速度测量精度约为0.02m/s,探测器缓冲行程精度约为4mm,完全满足无人月球探测器缓冲着陆运动试验中的测量精度要求。

月球探测器着陆冲击性能是月面软着陆的关键。以月球探测器铝蜂窝缓冲软着陆腿为研究对象,基于瞬态动力学方法,对其2级铝蜂窝缓冲器进行了建模和缓冲性能验证;建立了铝蜂窝软着陆腿瞬态动力学分析模型,并进行了单条软着陆腿着陆冲击仿真分析,研究了结构响应对软着陆腿着陆冲击性能的影响。结果表明:该瞬态动力学分析模型的缓冲器能量吸收、缓冲行程和探测器机体加速度响应峰值等分析结果与实验符合较好;2级蜂窝缓冲软着陆腿着陆过程中,当第2级蜂窝开始压缩时探测器机体加速度响应最大;软着陆腿结构柔性变形及储能导致了软着陆腿着陆性能恶化。

综述了月球探测器软着陆机构的应用与发展现状。介绍了软着陆机构的性能要求和组成,并根据着陆腿结构和缓冲器种类对软着陆机构进行了分类。讨论了着陆器主体设计、着陆腿结构和缓冲器的模块化设计。阐述了着陆器发射、在轨飞行、着陆和着陆后阶段的动力学研究内容。分析了缓冲器设计、着陆机构基本构型设计,以及缓冲器与基本构型主要参数配置等关键技术,对月球探测器软着陆机构设计有一定的参考意义。

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。

采用稳定裕度作为描述静态稳定性的物理量,推导了腿式月球着陆器各主要部分的几何参数及相对位置关系参数与着陆器静态稳定性之间关系表达式;分析了各主要参量的变化对稳定性的影响;并着重比较了三腿式与四腿式构型对稳定性的影响。分析表明在同等条件下四腿式结构较三腿式结构更稳定,可为腿式月球着陆器的设计和优化提供一定的理论依据。

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。

给出了着陆动力学分析的数学模型,并在分析铝蜂窝材料缓冲特性的基础上,建立了铝蜂窝缓冲器模型,将其应用于软着陆机构单条着陆腿冲击仿真。仿真结果表明,该模型在缓冲行程、能量吸收及缓冲后加速度响应峰值等方面与试验结果基本一致。为软着陆机构着陆冲击动力学分析时铝蜂窝建模提供参考。