趙志軍 趙京東 劉 宏
(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150080)
小行星著陸裝置用于實(shí)現(xiàn)小行星的本地探測(cè),使得探測(cè)小行星可以像探測(cè)月球、火星等大行星一樣通過投放著陸器來進(jìn)行.根據(jù)著陸器攜帶儀器設(shè)備的不同,可以對(duì)小行星展開多方面的研究,如介質(zhì)特性、溫度傳導(dǎo)特性、環(huán)境特點(diǎn)等,加深對(duì)小行星的認(rèn)識(shí),為下一步開發(fā)利用小行星提供科學(xué)依據(jù),促進(jìn)空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展[1].可以將一定的推進(jìn)裝置通過著陸裝置固定在小行星表面來改變其運(yùn)行軌道,避免小行星撞擊地球[2].小行星軌道特性多樣化,其在軌道上有大的傾斜度和傾角,如果將儀器設(shè)備通過著陸裝置固定在小行星表面,小行星將成為研究太陽和其他星體的有力平臺(tái)[3].可見小行星著陸裝置研究意義深遠(yuǎn).
著陸時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性及穩(wěn)定性是著陸裝置重要的性能指標(biāo),是著陸裝置研究的關(guān)鍵問題.通過著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性研究,可以分析著陸時(shí)的速度、角速度、加速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特性,分析不同著陸條件下的著陸穩(wěn)定性,從而指導(dǎo)著陸器的設(shè)計(jì)或著陸初始條件的選擇,改善著陸性能.南京航空航天大學(xué)對(duì)小行星著陸器的著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究[4];ESA(Europe Space Agency)對(duì)Rosetta彗星著陸器的著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性采用Simpack軟件進(jìn)行了仿真分析[5];此外,NASA(National Aeronautics and Space Administration)在Apollo月球著陸器研究階段,進(jìn)行了大量的著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性研究[6-7];國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8-9],南京航空航天大學(xué)[10],中國空間技術(shù)研究院[11]及其他研究院所[12-13]在對(duì)月球著陸裝置的著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究,取得了豐碩成果.目前著陸裝置著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性研究的基本思路是:根據(jù)著陸裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過對(duì)模型的分析,得出著陸動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性特性,再通過仿真或?qū)嶒?yàn)對(duì)模型分析的正確性進(jìn)行驗(yàn)證.
小行星著陸裝置在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及著陸策略方面與月球、火星著陸裝置存在較大區(qū)別,其著陸動(dòng)力學(xué)及著陸性能亦有所不同.本文在分析目標(biāo)小行星特性、著陸裝置特點(diǎn)及著陸策略的基礎(chǔ)上,基于Lagrange法對(duì)著陸動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了描述,并通過仿真分析方法對(duì)著陸性能進(jìn)行了研究.
小行星與月球、火星等大星體相比,具有表面引力弱,介質(zhì)特性未知,地貌崎嶇不平等特點(diǎn).不同組成成分的小行星,具有不同的反照率,據(jù)此將小行星分為c,S,M等10多種類型[14].在各類小行星中,一般認(rèn)為C類小行星的組成與碳質(zhì)球粒隕石(一種石隕石)相似,碳質(zhì)球類隕石含有碳質(zhì),且水、硫、稀有氣體等化合物含量較高,通常都含有多種有機(jī)化合物,如氨基酸,其礦物學(xué)和巖石學(xué)特性中缺乏游離的金屬或含量很低,其可能含有太陽系形成之前的物質(zhì)[15].可見C類小行星所含物質(zhì)原始,是研究太陽系起源的理想對(duì)象,且強(qiáng)度低、易錨固,是小行星著陸器著陸的理想選擇.
本文所述小行星著陸裝置針對(duì)C類小行星設(shè)計(jì),目標(biāo)小行星介質(zhì)最大允許切變強(qiáng)度小于5 MPa.小行星著陸裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在微重力環(huán)境下著陸裝置的反彈、飄走,著陸時(shí)的滑移及對(duì)未知地形的適應(yīng)性.小行星著陸裝置如圖1、圖2所示,質(zhì)量屬性如表1所示.
圖1 小行星著陸裝置示意圖
圖2 小行星著陸裝置
表1 小行星著陸裝置質(zhì)量屬性
機(jī)械結(jié)構(gòu)包括著陸腳、錨釘、著陸架、萬向機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、儀器平臺(tái)、錨系統(tǒng)等部分.該著陸裝置可以實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境下的著陸及錨固,其具有以下特點(diǎn):
1)設(shè)計(jì)有錨系統(tǒng).錨系統(tǒng)為著陸裝置在小行星表面提供長期錨固,防止著陸后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)著陸裝置的飄走.
2)設(shè)計(jì)有錨釘.錨釘安裝在著陸腳底部,長度約為10 cm.C類小行星主要成分為碳質(zhì)球類隕石,且可能含有有機(jī)物,表面介質(zhì)較軟但不松散,有一定強(qiáng)度(太松散的表層介質(zhì)由于微重力及高速旋轉(zhuǎn)的離心力不可能在小行星表面存在).著陸時(shí)在初始撞擊及反推火箭作用下錨釘被壓入小行星表面一定深度,此舉可以增大著陸腳與著陸面之間的摩擦系數(shù),防止著陸裝置發(fā)生滑移,同時(shí)為著陸裝置提供一定的錨固力.
3)設(shè)計(jì)有萬向機(jī)構(gòu).萬向機(jī)構(gòu)一方面緩沖著陸時(shí)水平方向的撞擊沖量,另一方面在著陸后對(duì)儀器平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)小行星的崎嶇地形,利于其上儀器設(shè)備展開探測(cè).
4)緩沖機(jī)構(gòu)置于儀器平臺(tái)下方.保證儀器平臺(tái)在豎直方向具有良好的緩沖效果,緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過載加速度小于10g[16].
5)采用三腿可折疊桁架式結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、體積小.在微重力環(huán)境下,著陸裝置著陸時(shí)間長,控制系統(tǒng)有充裕時(shí)間對(duì)其著陸姿態(tài)及速度進(jìn)行控制調(diào)整,以保證小的著陸速度及理想的著陸姿態(tài),因此對(duì)著陸裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較低,所以著陸腿采用可折疊桁架式結(jié)構(gòu).
6)反推火箭.反推火箭置于儀器平臺(tái)頂部,屬于姿態(tài)控制系統(tǒng),不屬于著陸裝置機(jī)構(gòu)部分,文中未有圖示.其在著陸階段具有重要作用,是成功著陸不可或缺的部分.在著陸下降階段,反推火箭實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸裝置速度及姿態(tài)的控制,以實(shí)現(xiàn)接近理想的著陸速度及著陸姿態(tài),在著陸撞擊階段,反推火箭實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸裝置的下壓作用,防止著陸裝置反彈.
著陸裝置經(jīng)軌道器釋放后在導(dǎo)航、控制系統(tǒng)作用下接近小行星,然后完成在小行星表面的著陸.著陸腳接觸小行星瞬間,著陸裝置與小行星表面之間發(fā)生極其復(fù)雜的接觸響應(yīng),該接觸響應(yīng)的力矢量在三維空間的計(jì)算目前還沒有完善的分析方法,本文不對(duì)其進(jìn)行研究.本文只對(duì)著陸裝置初次撞擊后到第一次翻轉(zhuǎn)結(jié)束之間的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析,該階段是著陸過程的核心階段,其動(dòng)力學(xué)參數(shù)足以描述著陸裝置的著陸性能及指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).由于三維著陸動(dòng)力學(xué)模型極其復(fù)雜,且二維著陸動(dòng)力學(xué)模型可對(duì)著陸性能進(jìn)行較好的描述,目前月球、火星著陸器的動(dòng)力學(xué)模型以二維平面模型為主.三腿式著陸裝置以1-2、2-1模式著陸時(shí),在過第1接觸點(diǎn)且垂直著陸面的平面內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn),可簡化為二維模型;以1-1-1模式著陸時(shí),可認(rèn)為其發(fā)生兩次平面翻轉(zhuǎn),同時(shí)二維模型在三腿式月球、火星著陸裝置中廣泛使用[6].所以本文通過二維動(dòng)力學(xué)模型對(duì)小行星著陸裝置的著陸特性進(jìn)行分析.
著陸裝置的著陸速度較小,橫向不大于0.5 m/s,縱向不大于1.5m/s,著陸時(shí)不會(huì)發(fā)生高速撞擊,所以著陸器的反彈及滑移易于控制.著陸裝置撞擊小行星瞬間,緩沖機(jī)構(gòu)及萬向機(jī)構(gòu)吸收儀器平臺(tái)所受撞擊沖量,同時(shí)著陸腳內(nèi)的接觸開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào).控制系統(tǒng)接收到該觸發(fā)信號(hào)后控制錨系統(tǒng)發(fā)射及儀器平臺(tái)頂部的反推火箭點(diǎn)火,該反推火箭為著陸裝置提供指向著陸面的推力,防止著陸裝置反彈.著陸腳上的錨釘在初始撞擊及反推火箭推力作用下被壓入C類小行星表面,阻止了著陸裝置在著陸面上滑移.初次撞擊后著陸裝置將繞與小行星接觸的著陸腳發(fā)生翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)過程中反推火箭維持恒定推力約5 s,錨系統(tǒng)快速卷線.當(dāng)3個(gè)著陸腳完全與著陸面接觸后翻轉(zhuǎn)結(jié)束,著陸完成.然后根據(jù)需要通過萬向機(jī)構(gòu)對(duì)儀器平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,即可展開對(duì)小行星的探測(cè).
根據(jù)C類小行星及著陸裝置的特點(diǎn),建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)做如下簡化:①小行星表面為微重力,重力加速度數(shù)量級(jí)約為10-4m/s2,所以忽略小行星表面重力加速度;②著陸腳與著陸腿之間為鉸接,摩擦系數(shù)較小,不計(jì)該處的摩擦;③著陸架剛度遠(yuǎn)大于緩沖機(jī)構(gòu)豎向剛度及萬向機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)剛度,所以忽略著陸架的柔性;④錨系統(tǒng)發(fā)射的錨體質(zhì)量約為80 g,速度約為50 m/s,著陸裝置質(zhì)量約為100 kg,且有反推火箭提供推力,所以忽略錨系統(tǒng)發(fā)射對(duì)著陸裝置的反沖作用;⑤錨系統(tǒng)拉緊線繩時(shí)間約為5 s,著陸翻轉(zhuǎn)過程小于2 s,所以翻轉(zhuǎn)過程中錨系統(tǒng)線繩尚未拉緊.
撞擊后著陸裝置繞O點(diǎn)翻轉(zhuǎn),如圖3下所示,其具有3個(gè)自由度,分別為m1的轉(zhuǎn)動(dòng),m2的轉(zhuǎn)動(dòng),m2隨緩沖機(jī)構(gòu)的平動(dòng).可采用Lagrange法建立其動(dòng)力學(xué)方程,動(dòng)能、勢(shì)能及瑞利耗散函數(shù)如式(1)、式(2)所示.
可得Lagrange動(dòng)力學(xué)方程如式(3)~式(5)所示,式中各參數(shù)意義如圖3中所示.
由方程式(6)可求得ω1,ω2,V21y,即為著陸裝置著陸撞擊后翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的初始值.
當(dāng)著陸裝置以初始速度Vx=-0.5 m/s,Vy=-1.5 m/s著陸于θ=30°著陸斜面時(shí)的值如圖4~圖6所示.“數(shù)據(jù)3”虛線所示為上述動(dòng)力學(xué)方程求解結(jié)果,“數(shù)據(jù)1”實(shí)線所示為與著陸裝置對(duì)應(yīng)的二維模型在Adams中著陸仿真結(jié)果,“數(shù)據(jù)2”點(diǎn)劃線所示為上述動(dòng)力學(xué)方程利用“數(shù)據(jù)1”實(shí)線中的初值進(jìn)行求解的結(jié)果.
圖3 著陸撞擊及翻轉(zhuǎn)示意圖
圖4 s和的方程求解及Adams仿真結(jié)果
圖5 1和2的方程求解及Adams仿真結(jié)果
圖6 1和2的方程求解及Adams仿真結(jié)果
圖4~圖6中各組曲線較為接近且具有一致的變化趨勢(shì),各組曲線相互之間誤差分析如表2所示.可見本文提出的Lagrange動(dòng)力學(xué)模型可以較為準(zhǔn)確的描述著陸裝置的著陸動(dòng)力學(xué)特性,同時(shí)表明初始值對(duì)動(dòng)力學(xué)方程求解有較大影響.由于著陸裝置不發(fā)生反彈,所以動(dòng)力學(xué)模型的初始值計(jì)算未考慮著陸腳與著陸面之間的接觸模型,Adams仿真時(shí)軟件自身考慮了接觸模型,導(dǎo)致本文計(jì)算的初始值與Adams仿真初始值之間存在誤差.
表2 方程求解與仿真結(jié)果誤差分析
過載加速度及著陸穩(wěn)定性是衡量著陸裝置性能的關(guān)鍵指標(biāo),過載加速度太大容易造成儀器設(shè)備損壞,著陸不穩(wěn)定會(huì)造成著陸裝置翻倒,都將導(dǎo)致著陸失敗,本文所述的著陸性能即指上述兩方面.采用Adams仿真的方法,對(duì)多種著陸速度及偏航角條件下在最大允許傾斜表面著陸時(shí)的性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.分析具有普遍性及代表性,可以對(duì)著陸裝置的著陸性能進(jìn)行較好的評(píng)估.
著陸裝置的著陸姿態(tài)定義如圖7所示,定義Oixiyizi為慣性坐標(biāo)系,Olxlylzl為機(jī)體坐標(biāo)系,將xl軸繞Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度定義為偏航角,xl軸繞yi軸旋轉(zhuǎn)的角度定義為俯仰角,zl軸繞xi軸旋轉(zhuǎn)的角度定義為翻滾角,定義順時(shí)針方向?yàn)檎?
圖7 著陸姿態(tài)示意圖
仿真參數(shù)定義如表3所示,著陸裝置下部質(zhì)量m1指表1中著陸腳、著陸架、萬向機(jī)構(gòu)等組成的質(zhì)量,約為22 kg;著陸裝置上部質(zhì)量m2包括表1中緩沖機(jī)構(gòu)、儀器平臺(tái)質(zhì)量及著陸裝置承載的負(fù)載質(zhì)量,共計(jì)約78 kg;由于設(shè)計(jì)有錨釘,著陸時(shí)錨釘可以穿透C類小行星表面,造成較大的摩擦系數(shù),參照Rosetta彗星著陸器著陸仿真將著陸面摩擦系數(shù)取為2.0;緩沖機(jī)構(gòu)阻尼、萬向機(jī)構(gòu)等效阻尼、反推火箭推力是著陸裝置的固有設(shè)計(jì)參數(shù);在較硬的表面著陸更能檢驗(yàn)著陸性能,所以將著陸面接觸剛度取為月球表面接觸剛度的2倍[11].
表3 著陸仿真參數(shù)
著陸裝置水平方向最大允許合速度為0.5 m/s,豎直方向最大允許合速度為1.5m/s,最大允許著陸面傾角為30°.仿真分析時(shí),著陸面傾角為30°,翻滾角及俯仰角為0°,偏航角從0°以10°步長遞增到120°,產(chǎn)生13種著陸姿態(tài)(第13種姿態(tài)與第1種姿態(tài)在理論上是同一種姿態(tài)),每種著陸姿態(tài)具有10種代表性的著陸速度,分別為(-0.5,0,-1.5)、(0.5,0,-1.5)、(0.2,0.2,-1.5)、(0.4,0.4,-1.5)、(0.5,0.5,-1.5)、(0.6,0.6,-2)、(-0.2,0.2,-1.5)、(-0.4,0.4,-1.5)、(-0.5,0.5,-1.5)、(-0.6,0.6,-2),單位為m/s.因此,可以得到130種著陸條件下的著陸性能.
圖8所示為著陸裝置在上述多種著陸條件下著陸時(shí)的最大過載加速度.可見,當(dāng)著陸速度達(dá)到(0.5,0.5,-1.5)或(-0.5,0.5,-1.5)時(shí),最大過載加速度接近10g,此時(shí)水平方向合速度為0.707 m/s,大于水平方向允許著陸速度0.5 m/s;當(dāng)著陸速度為(0.6,0.6,-2)或(-0.6,0.6,-2)時(shí),最大過載加速度大于10g,此時(shí)水平方向著陸速度已遠(yuǎn)大于允許的著陸速度.圖9所示為著陸裝置在上述多種著陸條件下著陸時(shí)的著陸穩(wěn)定時(shí)間,即從開始著陸到停止翻轉(zhuǎn)所需的時(shí)間.為便于描述,將著陸不穩(wěn)定時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間取為10 s.可見,只有在(-0.6,0.6,-2)速度下著陸時(shí),會(huì)出現(xiàn)著陸不穩(wěn)定的狀態(tài),其他著陸條件下的著陸穩(wěn)定時(shí)間均小于5 s,可以穩(wěn)定著陸.
綜上所述,著陸裝置在允許的著陸速度范圍內(nèi),以不同著陸姿態(tài)著陸時(shí),其最大過載加速度均小于10g,著陸穩(wěn)定時(shí)間均小于5 s,著陸裝置具有良好的著陸性能.同時(shí)可知著陸裝置在偏航角為60°,即采用2-1著陸模式時(shí),具有最小的過載加速度及最短的著陸穩(wěn)定時(shí)間,具有最佳的著陸性能.
圖8 不同著陸速度下偏航角對(duì)過載加速度影響
圖9 不同著陸速度下偏航角對(duì)著陸穩(wěn)定時(shí)間影響
1)提出了采用Lagrange方程建立二維著陸動(dòng)力學(xué)模型的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸裝置翻轉(zhuǎn)階段動(dòng)力學(xué)特性的描述.模型求解與仿真分析結(jié)果接近且具有一致變化趨勢(shì),可較為準(zhǔn)確的描述著陸裝置的著陸動(dòng)力學(xué)特性.該模型也可應(yīng)用于其它具有相似結(jié)構(gòu)的著陸裝置分析中.
2)采用仿真方法,對(duì)著陸裝置在130種著陸條件下的著陸性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.在最大允許傾角30°斜面上,著陸裝置以水平方向≤0.5 m/s,豎直方向≤1.5 m/s著陸時(shí),過載加速度小于10g,著陸穩(wěn)定時(shí)間小于5s,具有良好的著陸性能,且以偏航角為60°即2-1模式著陸時(shí)著陸性能最佳.
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