地外探測(cè)取樣容器再入過程動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析

高潔 趙會(huì)光 劉欣

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地外探測(cè)取樣容器再入過程動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析

高潔 趙會(huì)光 劉欣

（中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

無人取樣返回是開展地外星體探測(cè)的重要手段之一，也是深入開展未知星體載人著陸探測(cè)的必要準(zhǔn)備。取樣返回飛行器基于不同的技術(shù)基礎(chǔ)及返回技術(shù)發(fā)展需求，在再入大氣過程中可能采用不同的返回方式，如美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯和日本的返回飛行器均采用了彈道式的返回方式；中國(guó)探月三期的月球取樣返回器采用了跳躍式返回方式。在不同的再入彈道情況下，取樣容器的受力情況有所不同。由于地外星體取樣返回是我國(guó)首次開展的一項(xiàng)工程實(shí)踐，所以尚未有針對(duì)該問題開展專項(xiàng)的動(dòng)力學(xué)建模及相應(yīng)的仿真分析。文章對(duì)樣品容器在返回過程中的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行建模，分別沿軸向和法向建立樣品容器的動(dòng)力學(xué)模型，以典型再入彈道條件下樣品容器的受力情況為研究對(duì)象，對(duì)樣品容器準(zhǔn)靜態(tài)和考慮動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境條件下的受力情況及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，獲得樣品容器在返回過程中的動(dòng)力學(xué)特性，為取樣返回容器的設(shè)計(jì)提供參考。

準(zhǔn)靜態(tài) 動(dòng)態(tài)振動(dòng) 取樣容器 返回過程 動(dòng)力學(xué) 地外探測(cè)

0 引言

20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)在月球（Luna）系列探測(cè)任務(wù)中進(jìn)行了3次無人自主月球土壤取樣與返回任務(wù)[1-2]。20世紀(jì)之后，日本在地外天體取樣研究中進(jìn)行了成功實(shí)踐，2003年5月9日，日本隼鳥號(hào)探測(cè)器對(duì)絲川小行星進(jìn)行探測(cè)[3-4]，2010年6月13日探測(cè)器完成取樣任務(wù)并成功返回。2009年，美國(guó)NASA和歐空局（ESA）聯(lián)合發(fā)布探測(cè)火星計(jì)劃，規(guī)劃于2018年發(fā)射“火星取樣返回任務(wù)”，最終目的是在2020年前后實(shí)現(xiàn)火星采樣返回[5-8]。我國(guó)以月球探測(cè)為起點(diǎn)，有序規(guī)劃并開展了“繞、落、回”的三步探測(cè)思路，目前已經(jīng)成功完成了繞月、落月的工程研制，現(xiàn)正在開展取樣返回任務(wù)的工程研制[9-10]；此外，火星著陸探測(cè)任務(wù)也已經(jīng)立項(xiàng)研制，后續(xù)隨著地外星體探測(cè)的發(fā)展，進(jìn)一步開展火星及其他星體的取樣返回研究將是未來空間探測(cè)的必由之路。本文以取樣容器在再入大氣過程中的受力情況為研究對(duì)象，對(duì)樣品容器再入飛行過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并基于此開展仿真分析，獲得其在準(zhǔn)靜態(tài)和考慮動(dòng)態(tài)振動(dòng)條件下的受力和運(yùn)動(dòng)情況，為取樣容器的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，為樣品容器鎖緊機(jī)構(gòu)存在故障情況下，樣品的狀態(tài)分析和運(yùn)輸可靠性確認(rèn)提供參考。

1 樣品容器再入大氣飛行過程動(dòng)力學(xué)建模

本文以樣品容器為研究對(duì)象，根據(jù)樣品容器與取樣返回飛行器（簡(jiǎn)稱飛行器）的位置約束關(guān)系以及樣品容器的受力情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。

1.1 坐標(biāo)系定義

樣品容器運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系：以樣品容器質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿飛行器縱軸方向?yàn)檩S，在飛行器縱對(duì)稱平面內(nèi)，垂直于縱軸方向?yàn)檩S，軸滿足右手定則。

飛行器沿軸的運(yùn)動(dòng)主要為零側(cè)滑角附近的振蕩，與樣品容器沿軸方向的運(yùn)動(dòng)相似，所以本文主要對(duì)主對(duì)稱面內(nèi)樣品容器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。分別定義沿軸方向的運(yùn)動(dòng)為軸向運(yùn)動(dòng)；沿軸方向的運(yùn)動(dòng)為法向運(yùn)動(dòng)。取樣容器與飛行器的位置及運(yùn)動(dòng)方向如圖1所示。

1.2 動(dòng)力學(xué)建模

以樣品容器為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。樣品容器在再入過程中受到重力和飛行器艙壁的接觸力作用；在進(jìn)行受力分析時(shí)，認(rèn)為樣品容器在再入過程中的飛行軌跡瞬時(shí)與飛行器相同。分別沿返回器軸向和法向進(jìn)行受力分析[11-17]。動(dòng)力學(xué)模型如下。

式中n為地球重力加速度；為樣品質(zhì)量；A為樣品容器沿軸向加速度；N為樣品容器沿法向加速度；VA為速度大小變化對(duì)應(yīng)的加速度；VN為速度方向變化對(duì)應(yīng)的加速度；N為飛行器艙壁對(duì)樣品容器沿法向作用力分量；A為飛行器艙壁對(duì)樣品容器沿軸向作用力分量；為飛行路徑角，為速度與水平面的夾角；為飛行攻角，為飛行器速度軸與體軸夾角。

速度大小和方向變化對(duì)應(yīng)的加速度VA和VN由再入飛行彈道確定。

樣品容器在再入飛行過程中的受力情況如圖2所示。

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

定義樣品容器縱軸與飛行器縱軸重合時(shí)法向位移為0，樣品容器沿軸向前壁面與飛行器艙壁接觸時(shí)軸向位移為0。分別用A和N表示樣品容器與飛行器艙壁沿軸向和法向的位移。其中，A0和N0表示相應(yīng)方向的初始位移，Amax和Nmax表示相應(yīng)方向的最大位移。表示時(shí)間，A0和N0表示樣品容器相對(duì)于飛行器艙壁的軸向和法向初始運(yùn)行速度。

根據(jù)空間位置約束關(guān)系，建立樣品容器的位移約束模型：

2 典型再入彈道情況下樣品容器受力情況仿真分析

本文以阿波羅6號(hào)返回艙跳躍式再入大氣飛行過程彈道為例，對(duì)該彈道條件下樣品容器的受力情況開展仿真分析?！鞍⒉_6號(hào)”返回艙相對(duì)于地球以10.01km/s的速度進(jìn)入地球大氣，再入角約為–5.89°，硬著陸彈道相應(yīng)的飛行時(shí)間約為750s[18-20]。返回飛行彈道如圖3所示。

返回艙再入飛行過程攻角為–23°,假設(shè)飛行器留給樣品容器的空間，保證樣品容器的法向位移Amax≤25mm，軸向位移Nmax≤10mm。

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)情況樣品容器的受力及位移情況分析

僅考慮飛行器再入過程中靜態(tài)載荷作用時(shí)，對(duì)典型再入情況對(duì)應(yīng)的樣品容器的軸向、法向的受力和位移情況進(jìn)行分析。本中分析結(jié)果中，軸向力和法向力均以作用力相對(duì)于地球萬有引力系數(shù)的比值表示，相當(dāng)于過載的概念。圖4給出了樣品容器在“阿波羅6號(hào)”返回艙再入彈道條件下的受力分析結(jié)果。

從上面的分析可知，在返回飛行過程中，樣品容器在沿體軸和法向均受飛行器艙壁作用，并且與飛行航跡相關(guān)，有大小和正負(fù)的變化，具體特點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：

1）飛行器艙壁對(duì)樣品容器軸向/法向作用力變化趨勢(shì)與飛行器再入大氣飛行過程的過載變化趨勢(shì)一致，在氣動(dòng)過載達(dá)到峰值時(shí)，軸向/法向作用力也達(dá)到最大（絕對(duì)值）；

2）飛行器艙壁對(duì)樣品容器的法向作用力沿再入彈道有正有負(fù)。在剛進(jìn)入大氣邊界和跳出大氣層飛行段（>80km），飛行器艙壁對(duì)樣品容器的法向力為較小的正值，即樣品容器與飛行器下艙壁面有接觸；初次再入飛行段和二次再入飛行段樣品容器受到的作用力為負(fù)，即樣品容器與飛行器上艙壁面接觸；

3）僅考慮靜態(tài)載荷作用時(shí)，飛行器艙壁對(duì)樣品容器的軸向作用力沿再入彈道始終為負(fù)。在跳出大氣飛行段（>80km），軸向作用力是絕對(duì)值很小的負(fù)值。

2.2 考慮動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境條件的力及位移情況分析

本文主要針對(duì)于樣品容器在基本方案設(shè)計(jì)和容器鎖緊機(jī)構(gòu)發(fā)生故障情況下的運(yùn)輸可靠性進(jìn)行分析，所以僅考慮樣正、負(fù)向常值振動(dòng)載荷。假設(shè)傳遞至樣品容器的過載大小分為–8n和8n。

2.2.1 軸向負(fù)向動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境條件的分析

在樣品容器由于動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生軸向過載為–8n時(shí)，不考慮樣品容器與飛行器接觸面直接的摩擦，將–8n動(dòng)態(tài)載荷代入動(dòng)力學(xué)模型可知：法向運(yùn)動(dòng)與準(zhǔn)靜態(tài)情況相同，軸向方向是在原受力基礎(chǔ)上的疊加。下圖6給出動(dòng)態(tài)振動(dòng)量級(jí)為–8n時(shí)，樣品容器在再入情況下相應(yīng)的軸向受力情況。樣品初始位置分別在樣品容器前壁面（初始位移為0）和后壁面（初始位移為–10mm）兩種情況對(duì)應(yīng)的軸向力情況。

2.2.2 軸向正向動(dòng)態(tài)振動(dòng)的分析

當(dāng)外界動(dòng)態(tài)環(huán)境沿軸向?yàn)檎较虻恼駝?dòng)時(shí)，樣品容器會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)離前壁面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)?？紤]8n的動(dòng)態(tài)載荷條件，以及法向位移不大于10mm的空間約束，樣品容器的軸向受力情況如下圖7所示。

從圖中可以看出，當(dāng)軸向動(dòng)態(tài)環(huán)境為正向振動(dòng)時(shí)，樣品容器會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)離飛行器艙體前壁面的運(yùn)動(dòng)，但由于后壁面的約束，會(huì)出現(xiàn)不斷的軸向上下地面往復(fù)振蕩。由于樣品容器與飛行器沿軸向的間隙較?。ㄈ?0mm），所以振動(dòng)很頻繁。

從上面的分析可知，沿軸向的動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)樣品容器受力及運(yùn)動(dòng)情況造成顯著影響。其中正、負(fù)向動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響可以總結(jié)如下：

1）動(dòng)態(tài)振動(dòng)為負(fù)向時(shí)，樣品容器始終與飛行器艙壁接觸，動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響是增加飛行器艙壁對(duì)樣品容器的接觸力；

2）動(dòng)態(tài)振動(dòng)為正向時(shí)，考慮上面艙蓋的約束，樣品容器會(huì)出現(xiàn)軸向的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，在10mm間隙情況下，這種振動(dòng)很頻繁。當(dāng)容器艙門出現(xiàn)松動(dòng)或鎖定不可靠，存在樣品飛出容器的風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié)束語

取樣返回研究是未來進(jìn)行地外星體探測(cè)的重要手段，本文以取樣返回飛行器樣品容器為研究對(duì)象，對(duì)其在再入大氣飛行過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并以典型跳躍式返回飛行過程為例，對(duì)樣品容器在再入飛行過程中的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)振動(dòng)條件下的受力情況及其在飛行器艙內(nèi)位移情況進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果顯示，準(zhǔn)靜態(tài)情況下，樣品容器主要存在法向的運(yùn)動(dòng)；在考慮飛行器進(jìn)入大氣時(shí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)時(shí)，負(fù)的軸向過載會(huì)引起樣品容器與飛行器艙體的擠壓，正的軸向過載會(huì)引起樣品容器與飛行器艙壁底面的持續(xù)碰撞。本文獲得的動(dòng)力學(xué)模型可同樣推廣用于彈道式和半升力返回模式下的樣品容器受力研究，相應(yīng)的分析結(jié)果可作為取樣裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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Dynamics Modeling and Simulation of Sample Container during Entry from Planetary Exploration

GAO Jie ZHAO Huiguang LIU Xin

（Insutitte of Spacecraft System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

Robotic sample return exploration will be an essential way for extro-planet exploration, which is also a necessary preparation for human landing exploration. Under different technology besis or for specific develop requirement, capsule will entry earth in various ways. For example, the entry capsules of United States, Russia and Japan all adopt ballistic entry, whereas Chinese lunar exploration project takes skip reentry. For sample container, mechanical performance relies on entry environment closely. As extro-planet sample return has never been implemented in China, specific dynamic modeling and simulation has not been studied before. This paper builds dynamic model of sample container during entry firstly, including axial and normal position. Then, The force and motion station of the sample container is analyzed in quasi-static and dynamic condition by setting the force situation of sample container during entry in typical trajectory as the object of study, and obtains the motion characteristic of the sample container during entry finally. The results of this paper will be available for the design of sample container.

quasi-stastic; dynamic vibrating; sample container; entry process; dynamics; planetary exploration

V412.4

A

1009-8518(2018)05-0018-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.003

高潔，女，1985年生，2010年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。現(xiàn)從事返回衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作。E-mail: suzhou33050421@163.com。

2018-02-20

（編輯：劉穎）