小天體探測(cè)器著陸附著技術(shù)研究

王立武 戈嗣誠(chéng) 蔣萬(wàn)松

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小天體探測(cè)器著陸附著技術(shù)研究

王立武1,2戈嗣誠(chéng)1,2蔣萬(wàn)松1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2 中國(guó)空間技術(shù)研究院航天器無(wú)損著陸技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

探測(cè)器著陸附著技術(shù)是小天體探測(cè)任務(wù)中的關(guān)鍵性技術(shù)，關(guān)系到任務(wù)的成敗。文章介紹了美國(guó)、歐洲、日本已先期開(kāi)展的部分小行星、彗星等小天體探測(cè)任務(wù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外小天體探測(cè)著陸附著技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了說(shuō)明。分析了北京空間機(jī)電研究所提出的一種用于小行星表面勘測(cè)的新概念著陸附著系統(tǒng)，并進(jìn)行了可控重復(fù)附著功能設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，結(jié)果表明，新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在厘米級(jí)粗糙尺度的小行星硬質(zhì)表面可靠附著。由于新系統(tǒng)的附著模塊采用了仿生甲蟲(chóng)爪刺抓附原理設(shè)計(jì)，其著陸緩沖模塊展開(kāi)折疊比高、著陸穩(wěn)定性強(qiáng)，研究成果可以為中國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)提供技術(shù)支撐。

錨定系統(tǒng) 爪刺附著機(jī)構(gòu) 著陸附著 小天體探測(cè)

0 引言

小行星探測(cè)是當(dāng)今深空探測(cè)的前沿課題之一，可以為太陽(yáng)系的形成及演化過(guò)程提供線索，對(duì)研究地球上的生物起源有重要指導(dǎo)意義；其稀缺物質(zhì)資源可能成為未來(lái)開(kāi)發(fā)和利用的寶庫(kù)。借助科學(xué)探測(cè)儀器，可以對(duì)地外星體進(jìn)行更全面的探測(cè)，最直接有效的探測(cè)方式還是著陸附著探測(cè)[1-2]。對(duì)小行星探測(cè)而言，能夠揭開(kāi)太陽(yáng)系起源和生命演化進(jìn)程，促進(jìn)空間科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，為深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)提供驗(yàn)證。

小行星著陸探測(cè)能夠?qū)π求w開(kāi)展原位深度探測(cè)，并能采集目標(biāo)樣品物質(zhì)帶回地球，作更深入的研究。小行星著陸附著系統(tǒng)用于降低著陸探測(cè)器在接觸小行星表層過(guò)程中的沖擊過(guò)載，保護(hù)所攜帶設(shè)備不受損壞，并將著陸器固定于小行星表面，提供鉆探或取樣設(shè)備所需的附著力或力矩，支撐著陸器進(jìn)行長(zhǎng)期表面探測(cè)。

由于各類小行星表層結(jié)構(gòu)特性差異很大，其表層結(jié)構(gòu)可為星塵土壤、碎石或堅(jiān)硬石塊等，并且目前人類對(duì)其認(rèn)識(shí)相對(duì)有限，因此小行星著陸附著系統(tǒng)需要有較大的適應(yīng)性。我國(guó)發(fā)布的2030年前深空探測(cè)總體實(shí)施方案中將小行星探測(cè)列為我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)的重點(diǎn)之一，對(duì)探測(cè)器著陸附著技術(shù)提出了新的要求，要求在附著力、附著穩(wěn)定性和機(jī)構(gòu)可靠性方面取得進(jìn)一步突破。本文對(duì)小天體探測(cè)器著陸附著機(jī)構(gòu)開(kāi)展了設(shè)計(jì)分析及初步試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 小天體探測(cè)著陸附著技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，小行星探測(cè)已成為空間探測(cè)熱點(diǎn)，美國(guó)、俄羅斯、歐空局、日本在小行星探測(cè)方面均取得了一定成就，歐空局還實(shí)現(xiàn)了首次著陸彗星。小行星和彗星的探測(cè)研究現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 小行星和彗星探測(cè)研究狀況

Tab.1 Reviews on asteroids and comets

美國(guó)“近地小行星交會(huì)”（NEAR）探測(cè)器于2001年2月實(shí)現(xiàn)了首次在地外小天體著陸；歐空局“羅塞塔”（Rosetta）探測(cè)器的“菲萊”（Philae）著陸器實(shí)現(xiàn)了在小天體（彗星）表面著陸和就位探測(cè)，并提取表面樣本進(jìn)行分析；日本的“隼鳥(niǎo)”（Hayabusa）探測(cè)器在“絲川”（Itokawa）小行星著陸并采集了樣品返回地球[3-7]。

1.1 歐空局Rosetta探測(cè)器

歐空局的Rosetta探測(cè)器具有小行星及彗星表面著陸能力，其主要任務(wù)是研究小行星的起源、星際物質(zhì)的關(guān)系以及對(duì)太陽(yáng)系起源。Rosetta探測(cè)器由軌道器和著陸器Philae組成，于2004年發(fā)射，2014年 11月著陸在“67P/楚留莫夫–格拉西門克”（67P/Churyumov-Gerasimenko）彗星表面[8-11]。

Philae著陸器的著陸系統(tǒng)如圖1、圖2所示，包括自主降落系統(tǒng)（冷氣推進(jìn)系統(tǒng)）、萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)、冰螺栓、支撐架和支撐腿；附著系統(tǒng)包括2個(gè)錨定附著子系統(tǒng)。Philae著陸器在與探測(cè)器分離后，著陸系統(tǒng)將其3條支撐腿展開(kāi)至最大包絡(luò)，同時(shí)將連接著陸器基體和著陸支撐架的萬(wàn)向關(guān)節(jié)松開(kāi)；錨定附著子系統(tǒng)完成自檢[12]。

圖1 Philae著陸器的著陸系統(tǒng)

圖2 Philae 著陸支撐腿及冰螺栓

圖3 Philae著陸器的錨定裝置

Philae著陸器主錨定附著子系統(tǒng)如圖3所示，它通過(guò)火工品將一個(gè)帶有倒鉤的錨叉射入慧星表層，錨叉通過(guò)系繩將著陸器與慧星表面固定連接而不飄走。有報(bào)道稱Philae著陸器的錨定附著子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，并沒(méi)有牢固附著，而是彈跳了很多次才穩(wěn)定下來(lái)。

1.2 美國(guó)小行星多任務(wù)探測(cè)器

目前美國(guó)也正在積極開(kāi)展載人登陸小行星探測(cè)和小行星捕獲相關(guān)技術(shù)研究。針對(duì)載人登陸小行星探測(cè)任務(wù)，研制了多任務(wù)空間探測(cè)器（MMSEV），并進(jìn)行了多任務(wù)技術(shù)驗(yàn)證的水下模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)中用到的附著試驗(yàn)條件采用噴氣推進(jìn)和錨定組合方法來(lái)模擬，如圖4所示。

附著方案的原理是著陸器在接近小行星表面前，先向小行星表面射入多個(gè)附著裝置，多個(gè)附著裝置的末端通過(guò)繩索連接，形成附著網(wǎng)。著陸器在即將著陸時(shí)，通過(guò)乘員或機(jī)械臂抓取網(wǎng)線，然后收縮連接附著網(wǎng)和著陸器間的纜繩或機(jī)械臂，將著陸器拉至小行星表面，期間還可借助于噴氣推進(jìn)裝置[13-16]。

圖4 美國(guó)載人小行星探測(cè)附著方案示意

1.3 日本Hayabusa探測(cè)器

日本首個(gè)小行星探測(cè)及采樣返回任務(wù)—Hayabusa探測(cè)器，于2003年5月9日發(fā)射。Hayabusa探測(cè)器的主要任務(wù)是在小行星Itokawa上著陸，完成樣品采集后返回地球。Hayabusa探測(cè)器于2005年9月完成在Itokawa小行星上的著陸附著及樣品收集，但由于探測(cè)器系統(tǒng)的故障，包括姿態(tài)控制系統(tǒng)故障、燃料泄漏和電池故障等，使得Hayabusa探測(cè)器未按原計(jì)劃于2007年6月返回地球。后續(xù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)救措施，使得Hayabusa探測(cè)器采樣返回艙于2010年6月14日返回地球，成功著陸[17-20]。

探測(cè)對(duì)象Itokawa小行星，長(zhǎng)約700 m，寬約300 m，其引力只有地球的十萬(wàn)分之一。探測(cè)器上攜帶了由可展開(kāi)機(jī)械臂、樣品捕獲器和投射器組成的取樣裝置，取樣時(shí)由可展開(kāi)機(jī)械臂將樣品捕獲器和投射器放在小行星表面，投射器射出一個(gè)高速子彈撞擊小行星表面，一個(gè)外形為喇叭狀的取樣裝置將這些濺起物質(zhì)收集并進(jìn)行密封，緊接著樣品捕獲器內(nèi)的樣品容器由可展開(kāi)機(jī)械臂送入直徑40厘米的返回艙，然后探測(cè)器起飛離開(kāi)小行星返回地球。

1.4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某高校研制了與菲萊的相似的著陸錨定附著系統(tǒng)，其中錨定附著子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。此系統(tǒng)集成化程度較高，不足之處在于體積較大，錨體無(wú)結(jié)構(gòu)變形，無(wú)法增加額外附著力，尖部倒刺對(duì)材料要求極高，會(huì)對(duì)侵徹性能造成不利影響。

此外，北京空間機(jī)電研究所基于航天器回收著陸技術(shù)開(kāi)展了小行星著陸附著技術(shù)研究，取得了一定的成果。

圖5 錨定附著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 著陸附著技術(shù)研究

北京空間機(jī)電研究所在航天器回收著陸技術(shù)領(lǐng)域一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，在小天體探測(cè)器著陸附著技術(shù)方面也開(kāi)展了預(yù)先研究。研究中以C和S類（大類劃分）小行星著陸附著任務(wù)為目標(biāo)，開(kāi)展了小行星著陸附著系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由錨定附著子系統(tǒng)、著陸支撐子系統(tǒng)、爪刺附著子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，其展開(kāi)和收攏狀態(tài)如圖6所示。

圖6 著陸附著系組成及布局示意

2.1 錨定附著子系統(tǒng)

錨定附著子系統(tǒng)用于將小行星著陸器固定在小行星表面上，其外形及主要組成如圖7所示。該方案主要由火工彈射器、錨裝置、延時(shí)作動(dòng)器、繞線電機(jī)和裝置結(jié)構(gòu)等5部分組成。錨定附著子系統(tǒng)采用物理破壞表層結(jié)構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)軟和較軟小行星表層結(jié)構(gòu)的附著，防止小行星著陸器著陸后反彈飄走，并為鉆探和取樣等科學(xué)探測(cè)載荷提供所需要的附著力或力矩。

圖7 錨定附著裝置示意

錨裝置通過(guò)火工彈射器獲得一定初速，射向小行星表層；錨裝置射出時(shí)將連接與錨裝置和裝置結(jié)構(gòu)卷筒的繩索拉出；當(dāng)錨裝置射入小行星表面并停止運(yùn)動(dòng)后，錨裝置內(nèi)部延時(shí)起爆的火工品將增加附著力的機(jī)構(gòu)展開(kāi)；繞線電機(jī)帶動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)將繩索拉回直到張緊，從而實(shí)現(xiàn)著陸器在小行星表面的有效固定。錨定附著力要求大于60N。

為了分析錨裝置侵徹附著性能，掌握侵徹類過(guò)程仿真分析方法，利用LS-dyna軟件進(jìn)行了入射運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真分析。錨裝置簡(jiǎn)化圓柱體，整個(gè)模型去四分之一，建立直徑=15mm，長(zhǎng)度=43mm的圓柱形錨體，材料為鋼，以100m/s的速度入射侵徹混凝土靶板，混凝土靶板尺寸為150mm×150mm×600mm，邊界固定。

仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。仿真分析有效的提取錨裝置的侵入速度、位移及過(guò)程中的應(yīng)力情況，隨著時(shí)間的增加，錨定裝置鉆地深度逐漸增大。后續(xù)可對(duì)不同材料、不同形狀錨裝置、靶板材料、不同侵入速度、不同侵入角度、不同材料組合靶板（表面覆蓋土壤，內(nèi)部為巖石）進(jìn)行入射侵徹性能仿真分析。

圖8 錨裝置侵徹過(guò)程仿真結(jié)果

圖9 錨裝置侵徹過(guò)程運(yùn)動(dòng)曲線

圖10 著陸緩沖器方案構(gòu)型

2.2 著陸支撐子系統(tǒng)

著陸支撐子系統(tǒng)用于著陸附著系統(tǒng)工作前與著陸器本體的折疊固定安裝、工作前的釋放展開(kāi)鎖定、著陸附著過(guò)程中的緩沖吸能和著陸附著過(guò)程穩(wěn)定支撐。子系統(tǒng)分為展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)、著陸緩沖器和火工解鎖器4個(gè)單機(jī)。著陸緩沖器的基本原理是彈簧–推桿機(jī)構(gòu)，由緩沖彈簧（2根）、內(nèi)筒、外殼和棘爪等部分組成，方案構(gòu)型如圖10所示。

2.3 爪刺附著子系統(tǒng)

爪刺附著機(jī)構(gòu)用于輔助將小行星著陸器附著在小行星表面上。爪刺附著機(jī)構(gòu)采用非物理破壞表層結(jié)構(gòu)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)小行星表層結(jié)構(gòu)的附著，防止小行星著陸器著陸后反彈飄走，并為鉆探和取樣等科學(xué)探測(cè)載荷提供所需要的附著力或力矩。

純機(jī)械式爪刺附著機(jī)構(gòu)由框架、萬(wàn)向機(jī)構(gòu)、爪刺陣列等部分組成，圓周陣列布局，框架是爪刺陣列的安裝基礎(chǔ)，陀螺式萬(wàn)向機(jī)構(gòu)使得爪刺附著子系統(tǒng)能夠適應(yīng)附著點(diǎn)方位，并在與著陸支撐機(jī)構(gòu)連接位置設(shè)計(jì)了減振組建，用于降低著陸后反彈沖擊，防止爪刺脫附。爪刺陣列用于提供表面抓附力。爪刺陣列設(shè)計(jì)為6刺/組×16組，如圖11所示。根據(jù)小行星探測(cè)器輔助附著需要，要求爪刺附著力不小于30N。

圖11 爪刺附著機(jī)構(gòu)和爪刺單元

2.4 控制子系統(tǒng)

小行星著陸附著系統(tǒng)工作控制程序如下：當(dāng)著陸器脫離主探測(cè)器，控制子系統(tǒng)加電啟動(dòng)。經(jīng)延時(shí)一定時(shí)間后，發(fā)出展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)解鎖信號(hào)，將著陸支撐子系統(tǒng)3個(gè)火工解鎖器啟動(dòng)，使著陸支撐子系統(tǒng)展開(kāi)至最大包絡(luò)并鎖定。

在著陸器著陸過(guò)程中，安裝于著陸支撐腿上的三個(gè)觸地敏感器在各支撐腿產(chǎn)生實(shí)際緩沖行程時(shí)發(fā)出觸地信號(hào)，控制子系統(tǒng)根據(jù)觸地敏感器的組合狀態(tài)，按照預(yù)定邏輯判斷決策向哪一組火工彈射器發(fā)送啟動(dòng)指令，從而將錨裝置射出，延時(shí)0.5s后，控制子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)繞線電機(jī)和卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，將連于錨裝置和著陸器之間的繩索張緊并鎖定，最后系統(tǒng)斷電保持錨定附著狀態(tài)，使著陸器牢固地錨定在星體表面。

當(dāng)爪刺附著子系統(tǒng)觸地達(dá)到一定壓力，爪刺附著機(jī)構(gòu)自動(dòng)收縮抓附，在控制子系統(tǒng)接收到觸地敏感器信號(hào)后延時(shí)一段時(shí)間，由控制子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)復(fù)位舵機(jī)對(duì)爪刺附著機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，然后舵機(jī)再完成自復(fù)位。

3 著陸附著機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

小行星著陸探測(cè)器的著陸附著過(guò)程復(fù)雜，應(yīng)通過(guò)地面模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證著陸附著系統(tǒng)在微重力環(huán)境下對(duì)不同著陸地形和地質(zhì)著陸附著的有效性?，F(xiàn)階段主要試驗(yàn)項(xiàng)目有錨定附著試驗(yàn)和爪刺附著試驗(yàn)。

3.1 錨定附著試驗(yàn)

對(duì)錨定附著子系統(tǒng)5個(gè)單機(jī)進(jìn)行綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將產(chǎn)品可靠連接在一個(gè)與地面固定的安裝架上，如圖12所示。在錨定附著子系統(tǒng)的正下方放置多種不同硬度的表層結(jié)構(gòu)模擬件。錨定試驗(yàn)時(shí)需給產(chǎn)品加電，可由控制子系統(tǒng)完成。試驗(yàn)獲取錨定附著子系統(tǒng)的錨定附著過(guò)程影像，測(cè)量錨裝置的射入速度、錨定后繞線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制響應(yīng)情況、繩索張緊力、錨定深度和錨定附著力值等參數(shù)。

圖12 錨定附著試驗(yàn)示意

試驗(yàn)結(jié)果表明，錨定附著裝置對(duì)于沙土地的附著力達(dá)到93N，對(duì)于火山石的附著力達(dá)到150N，大于60N的附著力要求。

3.2 爪刺附著試驗(yàn)

爪刺附著試驗(yàn)是爪刺附著子系統(tǒng)的專項(xiàng)功能試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，用具有厘米粗糙尺度的大塊火山石（直徑大于40cm）模擬硬質(zhì)小行星表面地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地形表面環(huán)境，進(jìn)行爪刺附著子系統(tǒng)的附著過(guò)程試驗(yàn)。

試驗(yàn)獲取爪刺附著子系統(tǒng)的附著過(guò)程影像，統(tǒng)計(jì)附著后的爪刺附著率，測(cè)量附著力值?？刂谱酉到y(tǒng)參與附著后爪刺的脫附和復(fù)位，并獲取復(fù)位過(guò)程影像，見(jiàn)圖13。

圖13 爪刺附著試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，爪刺附著子系統(tǒng)對(duì)于火山石的附著力達(dá)到66.8N，大于30N的附著力要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以小天體深度探測(cè)任務(wù)為背景，開(kāi)展了探測(cè)器著陸附著技術(shù)研究。

研究中基于小天體著陸器著陸過(guò)程中侵徹與附著理論設(shè)計(jì)了錨定附著子系統(tǒng)和爪刺附著子系統(tǒng)，并通過(guò)LS-DYNA有限元仿真分析了多種因素對(duì)侵徹與附著過(guò)程的影響，為附著系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)；同時(shí)研制了一種應(yīng)用于空間環(huán)境下的錨定附著及爪刺附著原理樣機(jī)，并開(kāi)展了原理樣機(jī)侵徹與附著性能試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了著陸附著機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)。研究表明，爪刺附著裝置采用了仿生甲蟲(chóng)抓附技術(shù)，適用于在厘米級(jí)粗糙度的硬質(zhì)小行星表面的附著，并且具有非常好的空間環(huán)境適應(yīng)性，有望成為移動(dòng)式多目標(biāo)表面勘測(cè)的可行技術(shù)途徑之一。

未來(lái)微重力小天體表面探測(cè)系統(tǒng)需要能適應(yīng)復(fù)雜的表面地質(zhì)條件，同時(shí)還要能實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)多目標(biāo)移動(dòng)探測(cè)，具備就位探測(cè)能力。微重力天體表面巡視機(jī)構(gòu)系統(tǒng)必須集成多種可重復(fù)附著技術(shù)、靈巧移動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)、視覺(jué)與光學(xué)測(cè)量技術(shù)、智能協(xié)同控制技術(shù)，具備著陸緩沖功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在微重力天體表面環(huán)境和地質(zhì)地形不確定條件下可靠附著和漫游巡視，支撐微重力天體表面多目標(biāo)探測(cè)任務(wù)實(shí)施，為鉆探或取樣等科學(xué)設(shè)備載荷提供工作所需附著力和力矩等工作條件[21-25]。本文的研究成果可以為我國(guó)小天體探測(cè)任務(wù)提供技術(shù)支撐。

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Research on Lander Adhering and Recovery Technology for Asteroid Exploration

WANG Liwu1,2GE Sicheng1,2JIANG Wansong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory for Nondestructive Spacecraft Landing Technology of CAST, Beijing 100094, China）

Landing adhering technologies is an important technology in asteroid exploration mission. Firstly, this paper summarized the current research of small planet explorations of landing adhering and reentry vehicles recovery in United States, Europe and Japan, and then analyzed the technology requirements for our exploration mission. The anchor system for asteroid surface exploration not only can unfold largely than initial state, but also has an excellent stability. Furthermore a bionics micro-pawl mechanism is designed, which can adhere on centimeter-size roughness surface of asteroid reliably. Finally research work on anchor system under microgravity environment technology are presented, which can support our asteroid exploration mission.

anchor system; micro pierce mechanism; lander adhesion; asteroid exploration

V476

A

1009-8518(2019)03-0014-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.003

王立武，男，1978年生，2013年獲西北工業(yè)大學(xué)大學(xué)航空工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楹教炱骰厥张c著陸技術(shù)。E-mai：wangliwujinjin@126.com。

2019-01-18

（編輯：陳艷霞）