載人登月月面軟著陸緩沖裝置設(shè)計(jì)與分析

王永濱 蔣萬(wàn)松 王磊 黃偉

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著世界各國(guó)對(duì)空間探測(cè)技術(shù)的關(guān)注與研究，各類深空探測(cè)任務(wù)對(duì)空間探測(cè)的星表著陸能力提出了非常強(qiáng)烈的需求。目前成功實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)著陸的途徑主要包括支架式著陸緩沖裝置著陸和氣囊著陸。在進(jìn)行載人登月探測(cè)活動(dòng)中，需要采用著陸緩沖裝置吸收探測(cè)器在月球表面著陸沖擊過(guò)程中所產(chǎn)生的沖擊能量，確保將月面載荷作用于探測(cè)器結(jié)構(gòu)和艙載設(shè)備的過(guò)載系數(shù)減小到系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，保證航天器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不因月面沖擊載荷過(guò)大而受到損傷，著陸緩沖裝置是著陸器月面著陸的關(guān)鍵系統(tǒng)。此外，通過(guò)著陸緩沖裝置建立返回的平臺(tái)，而著陸緩沖氣囊不具備這樣的功能，故在進(jìn)行載人登月探測(cè)活動(dòng)時(shí)需要采用支架式著陸緩沖裝置進(jìn)行著陸緩沖[1]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)針對(duì)不同的適用環(huán)境和指標(biāo)要求，對(duì)載人登月艙月面著陸緩沖裝置進(jìn)行了大量的理論和應(yīng)用研究。美國(guó)航空航天局（圖1（a）~（b））[2-5]、美國(guó)SpaceX公司（圖1（c））、歐空局（圖1（d））[6]和俄羅斯（圖 1（e）~（f））[7]等國(guó)家和機(jī)構(gòu)均針對(duì)載人登月相關(guān)任務(wù)需求開(kāi)展了月面著陸緩沖裝置的研究[1]。目前成功實(shí)現(xiàn)載人月球探測(cè)只有美國(guó)“阿波羅”系列月球著陸器[8-9]（圖1（a）），其設(shè)計(jì)理念和方法對(duì)于載人登月軟著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)有十分重要的借鑒意義。

國(guó)內(nèi)針對(duì)載人登月月面著陸緩沖裝置的研究相對(duì)有限，目前大多進(jìn)行的是無(wú)人著陸器月面著陸研究。已實(shí)現(xiàn)在月球軟著陸的“嫦娥三號(hào)”月球著陸器采用基于鋁蜂窩的四支腿軟著陸緩沖裝置實(shí)現(xiàn)月面軟著陸器，著陸載荷約 1.3t。而載人月球著陸器著陸載荷在 7~10t之間，其設(shè)計(jì)理念和指標(biāo)要求同無(wú)人月球著陸器有很大的不同。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[10]和北京空間機(jī)電研究所針對(duì)載人登月艙著陸特性，已開(kāi)展了載人登月艙著陸緩沖裝置原理樣機(jī)的研制工作（圖1（g）~（h）），相關(guān)設(shè)計(jì)均部分借鑒了“阿波羅”月球著陸器的研制經(jīng)驗(yàn)。本文以我國(guó)載人登月月面著陸任務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，基于著陸緩沖裝置技術(shù)途徑選擇分析，采用理論與仿真相結(jié)合的方法，研制全尺寸載人登月月面軟著陸緩沖裝置，為后續(xù)工程實(shí)施提供技術(shù)支撐。

圖1 國(guó)內(nèi)外載人登月艙著陸緩沖裝置Fig.1 Human Lunar landing gear research situation at home and abroad

1 著陸緩沖裝置技術(shù)途徑選擇

對(duì)于每一次登月任務(wù)，登月艙的軟著陸支架是最為關(guān)鍵的裝置之一。軟著陸支架能確保登月艙安全平穩(wěn)地降落在月球表面，航天員得以順利出艙并進(jìn)行月面探測(cè)活動(dòng)。同時(shí)，軟著陸支架還起到月面上升器的發(fā)射架作用，保證航天員攜帶月球樣品可靠地由月面進(jìn)入環(huán)月軌道，最終安全返回地球。著陸緩沖裝置涉及的相關(guān)技術(shù)主要包括著陸緩沖裝置支腿構(gòu)型和緩沖方式。在著陸緩沖裝置的初始設(shè)計(jì)階段，著重從著陸緩沖裝置的數(shù)量、緩沖方法和構(gòu)型等幾方面進(jìn)行組合，提出盡可能多的設(shè)計(jì)方案[11]。

采用著陸緩沖裝置著陸時(shí)，至少需要三個(gè)著陸支點(diǎn)，支腿數(shù)量越多，著陸器的穩(wěn)定性越好。但是，支腿數(shù)量增多會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)質(zhì)量增加。因此，要根據(jù)著陸器質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性、運(yùn)載器包絡(luò)尺寸等要求，綜合分析來(lái)確定支腿數(shù)量。對(duì)于大載重的著陸器，四條支腿的著陸緩沖裝置方案是一個(gè)較優(yōu)的折中方案。

緩沖器是著陸緩沖裝置的核心緩沖部件，其主要作用是吸收探測(cè)器在著陸沖擊過(guò)程中所產(chǎn)生的沖擊能量。緩沖器的實(shí)質(zhì)就是將探測(cè)器著陸時(shí)的動(dòng)能耗散在緩沖器內(nèi)部緩沖材料及著陸腿結(jié)構(gòu)變形上。目前常用的緩沖器主要包括可壓縮吸能緩沖裝置、液壓緩沖裝置、機(jī)械緩沖裝置、磁流變及電磁阻尼緩沖裝置?？蓧嚎s吸能緩沖裝置中最具代表性的是鋁蜂窩緩沖裝置，鋁蜂窩材料具有較低的密度，較高的比模量、比強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐熱性和抗腐蝕性，采用鋁蜂窩材料的緩沖裝置還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緩沖行程大等優(yōu)點(diǎn)，故本文的緩沖裝置最終選用鋁蜂窩材料實(shí)現(xiàn)緩沖。

2 著陸緩沖裝置方案設(shè)計(jì)

針對(duì)載人登月任務(wù)設(shè)計(jì)的軟著陸緩沖裝置采用四腿、懸臂式的構(gòu)型，四個(gè)緩沖支腿沿著陸器對(duì)稱分布，結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。該著陸緩沖裝置采用鋁蜂窩緩沖方式，每條緩沖支腿由一個(gè)鋁蜂窩吸能的主支腿和兩個(gè)吸能的輔助支腿、展開(kāi)架、展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)以及足墊等組成。圖3所示為著陸緩沖裝置收攏和展開(kāi)狀態(tài)示意圖。

圖2 著陸器結(jié)構(gòu)Fig.2 Landing gear structure

圖3 著陸器收攏和展開(kāi)狀態(tài)Fig.3 Stowed and deployed state

2.1 緩沖支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緩沖支腿包括主支腿和輔助支腿。其中主支腿由內(nèi)筒、外筒和鋁蜂窩組成。圖4為主支腿結(jié)構(gòu)圖。在著陸瞬間，著陸沖擊力首先作用到內(nèi)筒上，內(nèi)筒將作用力傳到鋁蜂窩上，通過(guò)內(nèi)外筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)使鋁蜂窩進(jìn)行壓縮并吸能。在考慮沖擊載荷緩沖時(shí)，除了對(duì)最大過(guò)載有要求，對(duì)初始沖擊過(guò)載的變化率也需要限定，以減小在結(jié)構(gòu)和設(shè)備上產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)，因此方案中將緩沖鋁蜂窩設(shè)計(jì)成多級(jí)緩沖。設(shè)計(jì)單條主支腿能吸收60%~70%垂直方向的能量，則兩條主支腿可以吸收垂直沖擊能量。

圖4 主支腿結(jié)構(gòu)Fig.4 Primary strut structure

圖5 輔助支腿結(jié)構(gòu)Fig.5 Secondary strut structure

圖5所示為輔助支腿結(jié)構(gòu)，輔助支腿主要由受壓鋁蜂窩、內(nèi)筒、受拉鋁蜂窩和外筒組成。其中受壓和受拉鋁蜂窩在著陸緩沖過(guò)程中承受橫向沖擊載荷。設(shè)計(jì)單條輔助支腿能吸收 70%~80%水平方向的能量，則兩條輔助支腿可以吸收全部水平?jīng)_擊能量。

2.2 展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于著陸緩沖展開(kāi)直徑超過(guò)了運(yùn)載器的包絡(luò)尺寸，因此必須考慮收攏和展開(kāi)機(jī)構(gòu)。為了保證展開(kāi)可靠，采用了渦卷簧驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)著陸支腿的展開(kāi)和鎖定。展開(kāi)與鎖定機(jī)構(gòu)由初始鎖定機(jī)構(gòu)、展開(kāi)機(jī)構(gòu)和二次鎖定機(jī)構(gòu)三部分組成。初始鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)著陸支腿的收攏固定和解鎖，展開(kāi)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支腿的展開(kāi)，二次鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支腿展開(kāi)后的有效鎖定。

2.3 緩沖材料設(shè)計(jì)

該著陸緩沖裝置采用鋁蜂窩進(jìn)行著陸緩沖。著陸緩沖裝置緩沖設(shè)計(jì)要求能夠有較高的壓縮強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)了適用于高壓縮強(qiáng)度的鋁蜂窩。對(duì)于不同的緩沖部位，依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行鋁蜂窩直徑及強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的正六角形鋁蜂窩工作塌跨載荷約為臨界壓潰峰值載荷的63%。實(shí)際使用時(shí)，需要將鋁蜂窩進(jìn)行預(yù)壓縮，以消除臨界壓潰峰值，保證緩沖過(guò)程的工作垮塌載荷保持平穩(wěn)。

3 仿真分析驗(yàn)證

3.1 緩沖結(jié)構(gòu)及仿真模型建立

著陸器在著陸沖擊過(guò)程中，需要經(jīng)歷一個(gè)瞬態(tài)沖擊載荷，能否經(jīng)受得住這一力學(xué)環(huán)境是軟著陸能否成功的關(guān)鍵。如圖6所示為基于ADAMS軟件建立的著陸緩沖裝置軟著陸動(dòng)力學(xué)仿真模型，用于分析著陸沖擊的瞬態(tài)響應(yīng)。著陸器主支腿和輔助支腿內(nèi)安裝了緩沖材料，并應(yīng)用ADAMS二次開(kāi)發(fā)接口設(shè)計(jì)了著陸沖擊動(dòng)力學(xué)分析子程序。應(yīng)用該模型分析了月球著陸器的著陸姿態(tài)、著陸速度、地面坡度和月壤粘性對(duì)著陸性能的影響。

圖6 著陸沖擊仿真模型Fig.6 Landing model of impact simulation

圖7 主、輔助支腿仿真模型Fig.7 Model of primary & second structures

主支腿和輔助支腿內(nèi)裝有蜂窩，通過(guò)壓潰蜂窩吸收能量實(shí)現(xiàn)緩沖。蜂窩在壓潰過(guò)程中發(fā)生塑性變形，具有不可恢復(fù)性。輔助支腿結(jié)構(gòu)形式可以使壓潰蜂窩能夠承受拉力和壓力。主、輔助支腿仿真模型如圖7所示。內(nèi)筒和外筒可沿同軸滑動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)副定義，即內(nèi)筒和外筒之間只有一個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的自由度。在內(nèi)筒和外筒上分別固定兩個(gè)平行的坐標(biāo)系（可選各自質(zhì)心），兩個(gè)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置相對(duì)于初始狀態(tài)沿共軸方向的位移定義為變形量，用x表示，負(fù)值表示壓縮，正值表示拉伸。在仿真過(guò)程的每一積分步長(zhǎng)，通過(guò)子程序記錄變形量的最大值（xmax）和最小值（xmin）。

由于蜂窩壓潰后不可恢復(fù)，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為彈塑性和特有平臺(tái)性（靜態(tài)壓垮載荷基本為定值），并與沖擊速度有關(guān)。單級(jí)蜂窩壓縮時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊力Pd可表達(dá)為

式中 η為硬化系數(shù)；Pc為靜壓縮載荷；x0為平移量（若變形量x以mm為單位，則x0取3，使得雙曲正切函數(shù)曲線與鋁蜂窩平臺(tái)曲線一致）；xmin為當(dāng)前最小變形量（負(fù)值）；δ(?)為邏輯函數(shù)，表示為

單級(jí)拉伸蜂窩（通過(guò)壓縮實(shí)現(xiàn)）的動(dòng)態(tài)沖擊力Pd可表達(dá)為

式中 xmax為當(dāng)前最大變形量（正值）；Pt為靜拉伸載荷，對(duì)于同類型的蜂窩，Pt和式（1）中Pc均為定值，可由試驗(yàn)得到。

η表征了蜂窩的動(dòng)態(tài)特性，例如沖擊速度在10m/s，η=1.2~1.3。η可用二次多項(xiàng)式近似，

式中 v為沖擊速度；a和b為待定系數(shù)，可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，對(duì)于不同類型的蜂窩，系數(shù)有所不同。

多級(jí)蜂窩的動(dòng)態(tài)沖擊力可由上述方法通過(guò)疊加得到[12]。此外在處理著陸器足墊與月壤的接觸問(wèn)題時(shí)，將作用力分為法向力和摩擦力。在描述月壤的塑性特征時(shí)，結(jié)合其表面承載力、彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)等特性對(duì)月壤進(jìn)行了表征。相關(guān)參數(shù)參考了“阿波羅”登月艙和“探測(cè)者”系列著陸器著陸仿真所采用的月壤力學(xué)性質(zhì)的描述[13-14]。

3.2 仿真分析結(jié)果

基于以上理論模型對(duì)著陸緩沖裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析計(jì)算，涵蓋了不同的速度、坡度、質(zhì)心、著陸形式等多種參數(shù)組合的工況，具體15種工況設(shè)置見(jiàn)表1。表1中1-2-1著陸模式是指一條主支腿先著陸，而后另外兩條主支腿同時(shí)著陸，最后一條主支腿再著陸；2-2著陸模式指兩條主支腿先同時(shí)著陸，而后另外兩條主支腿也同時(shí)著陸。兩種著陸方式中，2-2著陸模式相比1-2-1著陸模式更加嚴(yán)酷。

表1 仿真分析工況Tab.1 Conditions of simulation analysis

對(duì)表1所示的15種典型組合著陸工況（不同著陸模式、坡度、著陸速度、質(zhì)心高度的組合）進(jìn)行仿真分析，其中著陸沖擊過(guò)載仿真結(jié)果如表2所示?？紤]到文章篇幅限制本文主要列舉了較為不利的工況11的著陸沖擊仿真分析結(jié)果（見(jiàn)圖8~圖11），其中圖8和圖9所示分別為主腿緩沖力和緩沖行程曲線，圖10和圖11所示分別為艙體著陸速度和加速度曲線。

表2 各工況下的著陸沖擊過(guò)載Tab.2 Landing impact overload under various operating conditions

圖8 主支腿緩沖力Fig.8 Impact forces of primary structure

圖9 主支腿緩沖行程Fig.9 Buffer length of primary structure

圖10 艙體著陸速度Fig.10 Landing velocity of the landing gear

圖11 艙體著陸加速度Fig.11 Landing acceleration of the landing gear

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的著陸沖擊動(dòng)力學(xué)分析，可以得出以下結(jié)果：

1）主支腿的兩級(jí)鋁蜂窩緩沖力分別為5kN和9.5kN，與設(shè)計(jì)值一致；

2）主支腿的緩沖行程（壓潰位移）為440mm，滿足緩沖行程要求；

3）15種典型工況下，著陸器著陸沖擊過(guò)載介于1.5~3.4gn之間，小于4gn，滿足載人航天器要求；

4）2-2著陸模式低頭正撞（月面坡度10°~20°）情況下是最惡劣的工況之一。

綜上分析，可以認(rèn)為目前的設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種載人登月月面著陸緩沖裝置，對(duì)該月面著陸緩沖裝置的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了剖析，結(jié)合功能要求對(duì)技術(shù)途徑的選取進(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明。在完成對(duì)載人登月月面軟著陸緩沖裝置設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了著陸緩沖裝置原理樣機(jī)的研制，在國(guó)內(nèi)首次研制出全尺寸載人登月著陸緩沖裝置，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

通過(guò)仿真分析和原理樣機(jī)的地面試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：1）鋁蜂窩的緩沖力和緩沖行程設(shè)計(jì)比較合理，主支腿和輔助支腿的緩沖效果較好；2）在給定的著陸條件下，模擬多種嚴(yán)酷工況下著陸器不存在翻倒的可能性；3）適當(dāng)提高著陸器質(zhì)心高度，對(duì)輔助支腿緩沖行程有利；4）著陸器本身著陸沖擊過(guò)載小于4gn，滿足載人航天器要求。

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