“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)的研究成果及其應(yīng)用

楊建中 滿劍鋒 曾福明 朱汪 聶宏

（1中國空間技術(shù)研究院總體部，北京100094）（2南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京210016）

0 引言

著陸緩沖技術(shù)是深空著陸探測或回收的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了有益的探索。文獻(xiàn)[1]對(duì)火星探測減速著陸技術(shù)進(jìn)行了分析，并歸納總結(jié)了火星探測器減速著陸技術(shù)的發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[2]研究了美國、歐洲、俄羅斯在載人飛船、登月艙、火星著陸器等載人航天器回收著陸技術(shù)方面取得的成果，為我國著陸緩沖技術(shù)的發(fā)展提供了參考。文獻(xiàn)[3]提出了一種著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為著陸緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有益指導(dǎo)。在“嫦娥三號(hào)”研制過程中，投入了很大的力量來突破著陸緩沖這一關(guān)鍵技術(shù)?！版隙鹑?hào)”通過4套著陸緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)月面著陸緩沖，如圖1所示[4]。它們以平面對(duì)稱的方式安裝在著陸器結(jié)構(gòu)的底部。發(fā)射階段，著陸緩沖機(jī)構(gòu)處于收攏壓緊狀態(tài)，以滿足運(yùn)載的包絡(luò)要求。到達(dá)預(yù)定的軌道后，著陸緩沖機(jī)構(gòu)釋放展開并鎖定，以便為著陸時(shí)提供較大的支撐面積，有效避免著陸時(shí)的翻倒。著陸器進(jìn)入月球軌道，且開始向月面降落后，通過一系列的減速控制，最終依靠著陸緩沖機(jī)構(gòu)緩沖著陸器著陸瞬時(shí)受到的沖擊載荷，實(shí)現(xiàn)著陸器在月面的穩(wěn)定、安全著陸[4]。著陸完成后，著陸緩沖機(jī)構(gòu)長期、穩(wěn)定地支撐著陸器，為巡視器的順利釋放及相關(guān)有效載荷的正常工作創(chuàng)造條件。因此，著陸緩沖機(jī)構(gòu)的性能是否可靠直接關(guān)系著整個(gè)“嫦娥三號(hào)”著陸探測計(jì)劃的成敗。

圖1 “嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)Fig.1 Landing gear for Chang’e-3

在“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)研制過程中，通過自主創(chuàng)新在緩沖方法選取、著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、著陸過程仿真分析、著陸緩沖機(jī)構(gòu)地面驗(yàn)證等方面取得了豐碩的研究成果。本文對(duì)其中的鋁蜂窩緩沖特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、地面緩沖試驗(yàn)以及研究成果的推廣進(jìn)行介紹。

1 緩沖方法研究

在“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)工程研制過程中，對(duì)鋁蜂窩壓潰變形緩沖技術(shù)等進(jìn)行了深入研究，解決了鋁蜂窩壓潰過程中的不規(guī)則變形及其導(dǎo)致的緩沖力不穩(wěn)定問題[5]，同時(shí)提出了可提供較大緩沖力的鋁蜂窩壓潰與薄壁金屬管壓潰相組合的緩沖技術(shù)[6]，鋁蜂窩壓潰與金屬桿拉伸相結(jié)合的拉壓雙向緩沖技術(shù)[7]等，最終滿足了著陸緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖需要。

1.1 緩沖性能要求

一般而言，緩沖性能要具有受空間環(huán)境影響小、可靠性高、存儲(chǔ)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在選擇著陸緩沖方法時(shí)，除了要考慮上述要求外，還要考慮以下要求：

1）不可逆性。盡可能把航天器著陸時(shí)的動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，如塑性變形能、熱能、電能等，而不要通過彈性變形來儲(chǔ)存能量，以避免彈性變形能的自由釋放而導(dǎo)致二次沖擊或其他難以控制的后果。

2）高效性。耗散單位能量所需的緩沖材料質(zhì)量輕、體積小，所需的防熱、徑向約束等附加措施或條件少，以便在有限的質(zhì)量、空間和能源條件下完成緩沖任務(wù)。

3）穩(wěn)定性。緩沖方法受地面存儲(chǔ)環(huán)境以及空間環(huán)境的影響小，且在緩沖過程中緩沖力的波動(dòng)小，以保證穩(wěn)定吸能，避免著陸時(shí)的沖擊響應(yīng)值超出要求。

4）可設(shè)計(jì)性。可以通過改變某個(gè)設(shè)計(jì)尺寸，來方便地適應(yīng)不同能量的吸收，或保證不同的緩沖能力裕度，以適應(yīng)可能的著陸初始條件的變化。

5）工藝性。緩沖方法易于工程實(shí)施，便于加工制造、裝配調(diào)試和使用。

6）易檢驗(yàn)性。在地面可以方便地對(duì)表征緩沖力大小的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)、測量，以確保緩沖力滿足要求。

7）經(jīng)濟(jì)性。加工、裝配、調(diào)試、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的成本低。

1.2 鋁蜂窩緩沖特點(diǎn)

對(duì)于拉伸成形的鋁蜂窩而言，由于加工工藝的限制，鋁蜂窩沿芯格軸線方向的尺寸一般不超過150mm。當(dāng)緩沖行程要求較大時(shí)，可以把幾段鋁蜂窩串聯(lián)起來使用，這樣不僅可以降低加工難度，而且在沖擊輸入不變的前提下，可以通過不同規(guī)格鋁蜂窩的串聯(lián)組合，得到期望的緩沖輸出曲線[8]。

鋁蜂窩的緩沖能力與鋁箔材料的屈服強(qiáng)度、鋁箔的厚度、芯格的尺寸有關(guān)。這些參數(shù)受環(huán)境溫度的影響小，因此鋁蜂窩的緩沖力比較穩(wěn)定，非常適合空間環(huán)境下的著陸緩沖。實(shí)測的鋁蜂窩材料靜態(tài)變形時(shí)的緩沖力曲線如圖2（a）所示，鋁蜂窩材料壓潰過程如圖2（b）所示。

圖2 典型鋁蜂窩材料緩沖力曲線及壓縮過程Fig.2 Al-honeycomb compression and characteristics

鋁蜂窩壓潰變形時(shí)，其緩沖力具有以下特點(diǎn)：

1）緩沖力具有較長的“平臺(tái)”特性。在靜態(tài)壓縮變形的初期，芯格側(cè)面由光滑到皺褶變形的過程中，緩沖力–位移曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬度很小、數(shù)值較大的“峰值”，隨后是一段較長的“平臺(tái)”。

2）在不同沖擊速度下，鋁蜂窩緩沖力會(huì)略有區(qū)別。如圖3所示，沖擊速度為7m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的緩沖力–位移曲線比沖擊速度為4.43m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的緩沖力–位移曲線的波動(dòng)要大，且相應(yīng)的平均緩沖力也稍大。

3）沖擊過程中鋁蜂窩有可能失穩(wěn)。當(dāng)鋁蜂窩存在局部缺陷時(shí)，或沖擊力的方向與鋁蜂窩芯格軸線方向不重合時(shí)，鋁蜂窩在沖擊變形過程中有可能局部失穩(wěn)，由此將導(dǎo)致緩沖力出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖3 鋁蜂窩材料沖擊緩沖曲線Fig.3 A l-honeycomb dynam ic compression characteristics

2 機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

在“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)的研制過程中，基于能量法提出了著陸緩沖機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)確定及緩沖能力設(shè)計(jì)方法，有效指導(dǎo)了著陸緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1 幾何參數(shù)確定方法

著陸器翻倒過程中勢能的變化情況如圖4所示[4]。著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要確定的關(guān)鍵幾何參數(shù)包括著陸瞬時(shí)著陸器結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)到月面的初始高度Lh和相鄰兩個(gè)足墊中心連線與著陸器結(jié)構(gòu)中心軸線之間的距離LV。圖中L0為著陸器質(zhì)心到結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)的距離；H0為著陸器的質(zhì)心高度；Δh為著陸器翻倒過程中質(zhì)心位置升高的最大值。

圖4 著陸器翻倒過程中勢能的變化Fig.4 Potential energy variation during overturn of the lander

為減小系統(tǒng)的質(zhì)量，在滿足著陸穩(wěn)定性要求的前提下，Lh、LV的值應(yīng)盡可能地小。其中，Lh的最小值Lh,min可以通過式（1）估算：

式中Sh為主緩沖器在垂直方向的位移；S0為著陸器著陸后結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)距離著陸面的安全預(yù)留距離；ΔH為著陸器著陸過程中相對(duì)著陸面的下陷深度。

一般情況下，著陸器質(zhì)心到結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)的距離L0是已知的，因此，當(dāng)Lh,min數(shù)值確定后，著陸器的質(zhì)心高度H0便可以按式（2）確定：

在設(shè)計(jì)初始階段，可以利用能量轉(zhuǎn)換原理來初步估算LV的數(shù)值。為保證著陸過程中著陸器不翻倒，必須滿足以下條件：

式中WD為著陸過程中著陸器翻轉(zhuǎn)開始時(shí)具有的動(dòng)能；WH為著陸器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)到相鄰足墊中心連線所在的豎直平面內(nèi)時(shí)（即著陸器的質(zhì)心在著陸面上的投影落到穩(wěn)定性多變形的某一邊上時(shí)）著陸器相對(duì)著陸瞬時(shí)勢能的增加。為便于估算WD的數(shù)值，并確保公式（3）的成立，WD可以認(rèn)為是著陸瞬時(shí)著陸器所具有的動(dòng)能。即只要著陸瞬時(shí)著陸器的動(dòng)能不大于翻倒過程中著陸器勢能的增加，著陸器就不會(huì)翻倒。WD可按式（4）計(jì)算：

式中m為著陸器質(zhì)量；vV為著陸瞬時(shí)著陸器的垂直速度；vh為著陸瞬時(shí)著陸器的水平速度。

WH可按式（5）計(jì)算：

式中g(shù)′為月面重力加速度；Δh為著陸器翻倒過程中質(zhì)心位置升高的最大值，如圖4所示。

Δh的值可以按主緩沖器不縮短、足墊不下陷來估算，即：

由式（3）～式（6）可得：

2.2 緩沖能力確定方法

著陸緩沖機(jī)構(gòu)需要吸收的總能量主要包括：著陸器著陸瞬時(shí)所具有的動(dòng)能以及由于緩沖器工作和足墊下陷而減少的著陸器重力勢能?？紤]到足墊下陷的深度以及此過程中著陸面的變形吸能量難以確定，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以假設(shè)由于足墊下陷而導(dǎo)致的重力勢能的減少量與著陸面的變形吸能量相同。此假設(shè)的物理意義是著陸器在剛性著陸面上著陸。

著陸過程中由主緩沖器吸收的總能量W為：

式中H為從著陸瞬時(shí)開始到穩(wěn)定著陸后由于主緩沖器壓縮而導(dǎo)致的著陸器質(zhì)心的下降高度。

在設(shè)計(jì)初期可以假設(shè)每個(gè)主緩沖器的最大吸能能力為：

式中Amax為每個(gè)主緩沖器的最大吸能能力；a0為某一常數(shù)，它與著陸面的形貌、機(jī)械特性和初始著陸速度以及機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)型等有關(guān)。

輔助緩沖器主要用于緩沖水平方向的沖擊載荷。在初始設(shè)計(jì)時(shí)可以按單個(gè)輔助緩沖器吸收整個(gè)著陸器水平方向的全部動(dòng)能考慮，即單個(gè)輔助緩沖器的最大吸能能力Bmax為：

事實(shí)上，由于著陸緩沖機(jī)構(gòu)的構(gòu)型不同，輔助緩沖器在拉伸和壓縮時(shí)吸收的能量往往不一樣，前者一般大于后者，且可能大于公式（10）的計(jì)算值。一般情況下，著陸瞬時(shí)主緩沖器軸線與著陸面的夾角越小，輔助緩沖器越容易發(fā)生拉伸變形，著陸過程中通過它可以吸收的能量也就越多。

3 地面緩沖試驗(yàn)

3.1 單套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖試驗(yàn)

緩沖性能是著陸緩沖機(jī)構(gòu)的核心性能，因此需要在地面開展大量的試驗(yàn)對(duì)其緩沖性能進(jìn)行全面的驗(yàn)證。該試驗(yàn)在專用的試驗(yàn)臺(tái)上完成。試驗(yàn)臺(tái)由導(dǎo)軌、釋放裝置、吊籃和配重及測力平臺(tái)等組成，沖擊試驗(yàn)臺(tái)及試件安裝情況如圖5所示。

圖5 沖擊試驗(yàn)臺(tái)及試件安裝Fig.5 Schema of impact test facility

試驗(yàn)時(shí)將著陸緩沖機(jī)構(gòu)與吊籃相連，吊籃用于模擬著陸時(shí)的質(zhì)量，它通過釋放裝置（掛彈鉤）與起吊裝置相連，可沿導(dǎo)軌在豎直方向移動(dòng)。通過調(diào)整配重的質(zhì)量、吊籃與著陸緩沖機(jī)構(gòu)的安裝接口以及投放高度等，保證施加在著陸緩沖機(jī)構(gòu)上的沖擊能量、沖擊載荷及其與著陸面之間的相對(duì)姿態(tài)滿足要求。為了準(zhǔn)確測量著陸時(shí)的沖擊載荷，一般在模擬著陸面的下面安放專用的6維測力平臺(tái)，在主緩沖器和輔助緩沖器與吊籃的接口處設(shè)置相應(yīng)的測力傳感器，分別用于測量主緩沖器、輔助緩沖器對(duì)吊籃的作用力。

在試驗(yàn)過程中，為了模擬著陸器以不同姿態(tài)著陸時(shí)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖情況，可以將著陸緩沖機(jī)構(gòu)相對(duì)吊籃旋轉(zhuǎn)不同的角度。

3.2 組合緩沖性能試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于考核多套著陸緩沖機(jī)構(gòu)組合使用時(shí)的緩沖能力，即將安裝有多套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的模擬著陸器起吊到一定的高度，而后以一定的水平速度和姿態(tài)釋放，驗(yàn)證著陸緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖情況或模擬著陸器上相應(yīng)位置點(diǎn)的沖擊響應(yīng)情況，如圖6所示[4]。

試驗(yàn)時(shí)將模擬著陸器通過電磁解鎖裝置與雙擺桿相連，雙擺桿為平行四邊形機(jī)構(gòu)，在其擺動(dòng)過程中，其下表面始終保持水平。根據(jù)預(yù)期的著陸速度，通過卷揚(yáng)機(jī)把模擬著陸器拉偏一定的角度，而后釋放卷揚(yáng)機(jī)，讓雙擺桿自由擺動(dòng)，當(dāng)其下表面擺動(dòng)到最低位置時(shí)，電磁解鎖裝置解鎖，從而釋放模擬著陸器，使其按期望的速度和姿態(tài)著陸。

圖6 組合緩沖性能試驗(yàn)Fig.6 System testof the attenuation characteristics

姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置可以實(shí)現(xiàn)繞3個(gè)正交軸的旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，從而可以模擬著陸時(shí)的不同姿態(tài)。通過控制雙擺桿擺角的大小，可以模擬不同的水平著陸速度。通過控制投放高度，可以模擬不同的垂直著陸速度。通過在地面鋪設(shè)專用的模擬土壤，可以模擬月面的不同機(jī)械特性。通過在著陸場設(shè)置相應(yīng)的凸起、凹坑，可以模擬著陸面的地形地貌。通過上述模擬量的有機(jī)組合，可以模擬多種可能的著陸初始條件。

該試驗(yàn)要模擬、測量的物理參數(shù)很多，試驗(yàn)實(shí)施的難度很大，代價(jià)很高，因此，該試驗(yàn)要結(jié)合相應(yīng)仿真試驗(yàn)的結(jié)果來開展，僅針對(duì)那些惡劣的、典型的著陸工況進(jìn)行有限次數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

該試驗(yàn)中模擬土壤的制備一般是在土壤力學(xué)專家的指導(dǎo)下實(shí)施[9-10]，根據(jù)對(duì)目標(biāo)星體表面土壤情況的認(rèn)識(shí)，從顆粒級(jí)配、密度、含水量、內(nèi)摩擦角等多方面進(jìn)行控制，從而利用地面土壤來模擬月壤的機(jī)械特性。

4 研究成果的推廣應(yīng)用

4.1 航天器著陸緩沖領(lǐng)域

“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖技術(shù)在以下航天器著陸緩沖領(lǐng)域中也具有廣闊的應(yīng)用前景：

1）火星等行星探測器的著陸緩沖。只要控制好著陸速度、識(shí)別好著陸區(qū)，并確定適當(dāng)?shù)闹憰r(shí)刻，避免火星表面風(fēng)速的影響，在火星表面的緩沖與在月球表面的緩沖沒有實(shí)質(zhì)性差別，“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖技術(shù)通過適應(yīng)性改進(jìn)就可以應(yīng)用于火星表面的著陸緩沖。

2）新一代可重復(fù)使用飛船返回艙的著陸緩沖。目前美國已經(jīng)提出了可重復(fù)使用的飛船返回艙技術(shù)，該返回艙的著陸就采用著陸緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緩沖和落地后的支撐，從而避免飛船殼體直接著陸而導(dǎo)致的變形等損傷。我國新一代飛船返回艙也可以采用類似的技術(shù)實(shí)現(xiàn)著陸時(shí)的緩沖。

4.2 緩沖技術(shù)的地面應(yīng)用

在我國航天器著陸緩沖技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)加快相關(guān)技術(shù)在地面應(yīng)用的推廣工作，以便讓航天技術(shù)更多、更好地為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展服務(wù)，讓航天技術(shù)作為更強(qiáng)勁的引擎帶動(dòng)民用技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航天技術(shù)與地面應(yīng)用密切結(jié)合、相互支撐、相互促進(jìn)的發(fā)展目標(biāo)。

緩沖技術(shù)的地面應(yīng)用可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）直升機(jī)抗墜毀?！版隙鹑?hào)”著陸緩沖技術(shù)可以用于直升機(jī)機(jī)身的抗墜毀以及飛行員座椅的抗墜毀，從而有效保護(hù)飛行員的生命安全。

2）交通安全?！版隙鹑?hào)”著陸緩沖技術(shù)可以用于高速列車車廂之間的碰撞防護(hù)、公路攔石網(wǎng)、公路護(hù)欄、汽車碰撞防護(hù)、橋梁碰撞防護(hù)、橋梁限高桿等，有效降低重大交通事故造成的損失。

3）反恐防爆。相應(yīng)的緩沖材料可以用于制造輕質(zhì)便攜式防爆罐，有效降低爆炸恐怖活動(dòng)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的影響。

5 結(jié)束語

通過“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)的研究，在緩沖方法選擇、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、地面驗(yàn)證方法與實(shí)施等方面取得了豐碩的成果。這些研究成果對(duì)于后續(xù)月面取樣返回、火星探測、載人登月等深空著陸探測任務(wù)的開展，以及地面碰撞緩沖與爆炸防護(hù)技術(shù)的研究等奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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