著陸器著陸緩沖性能試驗(yàn)方法研究

齊 躍，李委托，朱 汪，楊建中，曾福明，滿劍鋒

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引言

著陸緩沖機(jī)構(gòu)是在目標(biāo)星體表面軟著陸過程中，用于吸收沖擊能量、緩沖沖擊載荷并為著陸器提供穩(wěn)定支撐的裝置。它已成功應(yīng)用于美國的“勘察者”（Surveyor）、“海盜”（Viking）、“阿波羅”（Apollo）和“鳳凰”（Phoenix），蘇聯(lián)的“月球”（Luna）系列以及我國的“嫦娥三號”等著陸探測器。根據(jù)著陸器質(zhì)量和體積的不同，一般采用3～4套相同的著陸緩沖機(jī)構(gòu)，均布于著陸器底部進(jìn)行組合緩沖吸能。在完成單套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的靜力試驗(yàn)、展開試驗(yàn)、緩沖試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)后，通常還要進(jìn)行系統(tǒng)級的著陸緩沖試驗(yàn)[1]。鑒于著陸器系統(tǒng)的復(fù)雜性和著陸初始條件的多樣性，需要對試驗(yàn)方案進(jìn)行縝密規(guī)劃，以求在有限的試驗(yàn)工況中，對著陸緩沖機(jī)構(gòu)在復(fù)雜地形條件下的綜合緩沖性能進(jìn)行充分、有效的驗(yàn)證。

在美國Apollo載人登月艙著陸器的研制過程中，進(jìn)行了大量著陸緩沖性能試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)方案的不同，大致可分為以下3類：

1）以1/6縮比模型在地球重力場或(1/6)g模擬重力場進(jìn)行試驗(yàn)[2]。該類試驗(yàn)首先基于相似性原理，確定若干比例因子（如長度、應(yīng)力和加速度等），并根據(jù)物理規(guī)律推導(dǎo)獲得其他物理量的比例關(guān)系[3]；然后制造符合比例關(guān)系的1/6縮比模型，于地球重力場或模擬重力場進(jìn)行試驗(yàn)[4]；最后，將測量獲得的加速度、緩沖行程和載荷等根據(jù)比例關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得全尺寸模型在月球重力場條件下的數(shù)值[5]。

2）以1∶1全尺寸模型在(1/6)g模擬重力場進(jìn)行試驗(yàn)[5-6]。該試驗(yàn)在傾斜角度約為80.4°的木板上進(jìn)行，采用吊繩平衡地球重力沿木板切向的分量，則沿木板法向的分量即為所需的1/6倍地球重力。試驗(yàn)時(shí)，通過一套復(fù)雜的吊繩系統(tǒng)拉偏模型，獲得著陸沖擊時(shí)的豎直速度和水平速度。著陸緩沖過程中，實(shí)際測量的各物理量即為全尺寸模型在模擬月球重力場條件下的數(shù)值。

3）以真實(shí)著陸器在地球重力場進(jìn)行試驗(yàn)[7]。該試驗(yàn)采用與飛行狀態(tài)一致的著陸器，在加電情況下于地球重力場進(jìn)行著陸緩沖試驗(yàn)。

本文在探討Apollo登月艙著陸緩沖機(jī)構(gòu)上述3類著陸緩沖試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著重針對綜合緩沖性能驗(yàn)證，提出了一套1∶1全尺寸模型在地球重力場條件下的試驗(yàn)方法。從試驗(yàn)方案規(guī)劃、驗(yàn)證工況設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施等方面進(jìn)行了闡述，并給出了試驗(yàn)實(shí)例。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

一般來說，著陸緩沖機(jī)構(gòu)由主支柱、輔助支柱和足墊組成[8]。主支柱僅具有單向壓縮緩沖能力，輔助支柱具有拉伸和壓縮雙向緩沖能力，而足墊具有橫向滑移和側(cè)邊變形能力。單套著陸緩沖機(jī)構(gòu)具有6個(gè)自由度，分別是主、輔支柱3個(gè)平動(dòng)自由度和足墊的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)主、輔支柱的緩沖行程和足墊姿態(tài)一定時(shí)，著陸緩沖機(jī)構(gòu)的空間位置姿態(tài)唯一確定；每套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的位置姿態(tài)確定后，著陸器的位置姿態(tài)即唯一確定。在著陸緩沖行程不超過最大設(shè)計(jì)值的前提下，著陸緩沖機(jī)構(gòu)在不確定的多樣化的著陸初始條件組合形成的著陸面上著陸時(shí)，表現(xiàn)出的緩沖特性是主、輔支柱在有限的設(shè)計(jì)緩沖行程范圍內(nèi)的組合，而主、輔支柱與結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處的載荷由緩沖材料的載荷行程曲線直接決定。因此，對著陸緩沖機(jī)構(gòu)綜合緩沖性能的試驗(yàn)驗(yàn)證就轉(zhuǎn)化為：通過試驗(yàn)工況的合理設(shè)計(jì)，盡可能多地覆蓋具有代表性的主、輔支柱緩沖行程的各種組合。

本文所述試驗(yàn)方案如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括投放設(shè)備、模擬著陸器、著陸場和著陸緩沖機(jī)構(gòu)。其中，投放設(shè)備主要由基座、支撐塔、牽引繩、配重、行車、擺臂、姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置、平行四邊形擺桿機(jī)構(gòu)和連接釋放裝置等組成。模擬著陸器的幾何外形及質(zhì)量特性與真實(shí)著陸器一致。著陸場根據(jù)試驗(yàn)需要可能為模擬月壤、木板或混凝土等。著陸緩沖機(jī)構(gòu)為與飛行狀態(tài)一致的真實(shí)產(chǎn)品。試驗(yàn)前，先將著陸緩沖機(jī)構(gòu)安裝至模擬著陸器上；然后將模擬著陸器頂板通過連接釋放裝置與擺桿機(jī)構(gòu)下平面的姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置連接。試驗(yàn)時(shí)，先根據(jù)工況要求鋪設(shè)坡面并設(shè)置障礙物，調(diào)節(jié)姿態(tài)至預(yù)定值；然后，由擺臂和行車將模擬著陸器起吊至著陸場上方預(yù)定投放高度；由牽引繩把擺桿機(jī)構(gòu)拉偏一定角度后釋放；擺桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí)，釋放模擬著陸器。之后，模擬著陸器在地球重力的作用下與著陸面發(fā)生沖擊，著陸緩沖機(jī)構(gòu)吸收著陸沖擊能量，測量系統(tǒng)獲得速度、姿態(tài)、緩沖行程、加速度和載荷等數(shù)據(jù)。

圖1 全尺寸模型地球重力場試驗(yàn)方案Fig.1 Test scheme for a full-scale model in the Earth gravity field

1.2 初始條件實(shí)現(xiàn)方式

式中Lbg為擺桿機(jī)構(gòu)的長度。

3）模擬著陸器的偏航角（繞x軸）、俯仰角（繞y軸）和滾轉(zhuǎn)角（繞z軸）。偏航角通過擺桿機(jī)構(gòu)的下平面與模擬著陸器頂板的相對轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。俯仰角和滾轉(zhuǎn)角通過模擬著陸器頂板預(yù)制特定角度的楔塊實(shí)現(xiàn)。

4）模擬著陸面的坡度。坡度大小可通過修砌坡面實(shí)現(xiàn)。結(jié)合修坡方向與擺桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)方向的相對角度，可獲得沿上坡、下坡或某一角度的水平速度。例如，坡面較高一側(cè)位于+z方向時(shí)，模擬著陸器拉偏投放后的水平速度沿上坡方向。

1.3 本方案特點(diǎn)

1）不需額外設(shè)計(jì)、加工參試著陸緩沖機(jī)構(gòu)的縮比試驗(yàn)件。前文所述Apollo采用的縮比模型基于嚴(yán)密的相似性原理，其生產(chǎn)制造面臨巨大挑戰(zhàn)。例如，著陸緩沖機(jī)構(gòu)主、輔支柱的長筒式薄壁零件厚度約3 mm，1/6縮比后加工難度增加且精度不易保證，必須采取一定的等效原則對縮比模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證縮比模型測試數(shù)據(jù)的有效性，往往還要與全尺寸模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，而本試驗(yàn)方法采用的試驗(yàn)件為全尺寸模型，省去了縮比試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)及加工。

2）試驗(yàn)實(shí)施過程相對簡單，能在較寬范圍內(nèi)精確控制投放初始條件。采用傾斜木板模擬重力場的試驗(yàn)方法是為了避免吊繩系統(tǒng)對著陸器運(yùn)動(dòng)自由度的過度限制，并保證重力場的模擬精度，沿傾斜木板切向的平衡吊繩長度應(yīng)不小于60 m[9]；真實(shí)著陸器的著陸緩沖試驗(yàn)次數(shù)一般為1～2次，且多為水平著陸工況。

3）具備對稱著陸模式和非對稱著陸模式的模擬能力。傾斜木板模擬重力場的試驗(yàn)方法僅適用于對稱著陸模式。

4）本試驗(yàn)方案未模擬月球重力場，無法驗(yàn)證月面著陸時(shí)的抗傾倒性能，但可通過工況設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)盡可能多的主、輔支柱緩沖行程的組合，直接反映模擬著陸器著陸后的位置、姿態(tài)和接頭載荷。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對著陸器的著陸緩沖仿真模型進(jìn)行修正后，將重力場參數(shù)設(shè)置為月球環(huán)境并進(jìn)行著陸沖擊動(dòng)力學(xué)仿真，即可獲得月面著陸時(shí)的綜合緩沖特性。

2 工況設(shè)計(jì)

2.1 工況設(shè)計(jì)原則

工況設(shè)計(jì)的一般原則如下：

1）典型著陸工況，即應(yīng)包含在水平著陸面或出現(xiàn)概率最大的初始條件下，以標(biāo)稱著陸速度著陸的工況。

2）極限緩沖性能工況，即各緩沖性能指標(biāo)達(dá)到最大值或最小值的工況，例如主支柱最大壓縮行程工況，輔助支柱最大拉伸行程工況和著陸后艙板底面最小間距工況等。

3）障礙物工況，指為了考核著陸緩沖機(jī)構(gòu)的足墊對于局部地形的適應(yīng)能力，需設(shè)置不同摩擦系數(shù)的著陸面，設(shè)計(jì)足墊撞擊巖石或落入凹坑的工況。

4）特定考核工況，即為特定的單項(xiàng)考核目的而設(shè)置的工況。例如為考核主支柱的壓縮緩沖性能，可設(shè)置不可滑移著陸面，使模擬著陸器以最大豎直速度著陸；為考核輔助支柱的拉伸緩沖性能，可設(shè)置較小摩擦著陸面，使模擬著陸器以最大豎直速度著陸等。

5）覆蓋各級緩沖載荷。為了適應(yīng)不同量級的著陸條件，可能將著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主、輔支柱緩沖載荷設(shè)計(jì)為多級緩沖的形式，因此，需使得所有擬進(jìn)行的試驗(yàn)工況對各級緩沖載荷進(jìn)行全覆蓋。這樣，取試驗(yàn)測得接頭載荷的最大包絡(luò)即可獲得著陸緩沖機(jī)構(gòu)對主結(jié)構(gòu)的載荷最大值。

2.2 工況篩選方法

首先，將各個(gè)著陸初始條件在其取值范圍內(nèi)進(jìn)行離散化，通過排列組合的形式獲得大量工況。然后，在月球重力場下進(jìn)行著陸沖擊動(dòng)力學(xué)初步仿真，獲得每次著陸后各緩沖特性指標(biāo)的響應(yīng)值。最后，對這些響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)特定考核項(xiàng)目，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)施的難易程度對擬進(jìn)行的試驗(yàn)工況進(jìn)行篩選、合并或替代。

通常在獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，應(yīng)根據(jù)實(shí)測著陸初始條件，在仿真模型中對試驗(yàn)過程進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并以緩沖行程為主要目標(biāo)，對比修正仿真模型。一般來說，典型著陸工況是主要修正依據(jù)，且在各級緩沖載荷條件下，修正后的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均應(yīng)有較好的一致性。而障礙物工況由于可能出現(xiàn)較大的足墊側(cè)邊變形或推土滑移效應(yīng)等難以準(zhǔn)確模擬的作用過程，往往仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有一定偏差。

3 試驗(yàn)實(shí)施

3.1 模擬著陸器的質(zhì)量配比

為了滿足多次著陸沖擊試驗(yàn)需求，模擬著陸器整體、吊點(diǎn)及著陸緩沖機(jī)構(gòu)安裝點(diǎn)附近均應(yīng)具有較好的剛度和強(qiáng)度。在保證外形尺寸與真實(shí)著陸器一致的前提下，進(jìn)行質(zhì)量配比：著陸重量需嚴(yán)格滿足；質(zhì)心位置應(yīng)相對標(biāo)準(zhǔn)值偏上限，可通過布置配重塊的形式實(shí)現(xiàn)；而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量允許有一定范圍偏差。

3.2 地球重力場的影響評估

根據(jù)豎直著陸速度換算試驗(yàn)投放高度時(shí)，式(1)能夠保證瞬時(shí)的著陸速度一致，但未考慮在著陸沖擊過程中由于著陸器質(zhì)心下降而增加的勢能對于總著陸能量的貢獻(xiàn)。當(dāng)著陸器初始質(zhì)心較高時(shí)，在地球重力場條件下的勢能增加量尤為顯著。以著陸重量1500 kg、豎直著陸速度4 m/s的著陸器為例，其初始著陸能量為12 kJ；在著陸沖擊過程中若質(zhì)心下降300 mm，則在地球重力場增加的勢能約為4.4 kJ，相當(dāng)于初始總能量的36.75%。因此，在地面試驗(yàn)過程中應(yīng)對此能量的增加量進(jìn)行評估，必要時(shí)可按照地面試驗(yàn)與飛行任務(wù)中總能量一致的原則，由式(3)通過仿真迭代確定地面試驗(yàn)時(shí)的投放高度h，

式中：g月為月球重力場的加速度；Δh地和Δh月分別為著陸器在地面和月面著陸前后的質(zhì)心下降高度。

3.3 地貌特征模擬

著陸面的模擬一般選用以下3種材質(zhì)：模擬月壤、木板和混凝土。摩擦系數(shù)模擬范圍一般在0.4至無窮大（即不可滑移）。在模擬月壤上的不可滑移可通過凸起阻擋的形式實(shí)現(xiàn)，在木板上的不可滑移可通過在足墊底面和著陸表面粘貼尼龍搭扣的形式實(shí)現(xiàn)，在混凝土上可通過表面粗糙程度來控制摩擦系數(shù)。在著陸沖擊過程中，3種著陸面耗散的能量占總著陸能量的比例以模擬月壤為最大，木板次之，混凝土最小。模擬月壤工況，緩沖能量在著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主輔支柱之間的分配更接近于飛行實(shí)際，同時(shí)可用于驗(yàn)證局部地形對著陸緩沖的影響。木板或混凝土著陸面工況，對著陸緩沖機(jī)構(gòu)的總緩沖能力考核更為充分。

在模擬月壤表面，可設(shè)置混凝土凸起模擬月巖，設(shè)置凹坑模擬月坑。設(shè)足墊的特征尺寸即最大外徑為φp；凸起一般采用枕形截面（如圖2所示），其高度Rt為φp的0.5倍，頂面長方形的長Lt和寬Wt為φp的2.0～2.5倍。

圖2 凸起和凹坑示意圖Fig.2 Schematic diagrams of heave and pit

足墊與凸起的著陸沖擊有3種模式：1）足墊落在凸起上，但未達(dá)到凸起的邊緣；2）足墊落在凸起附近，并與凸起發(fā)生撞擊；3）足墊落在凸起邊緣上，并有滑落的趨勢。

凹坑一般采用方形或圓形，方形的邊長或圓形的直徑φk為φp的2.0～2.5倍。為了保持坑邊緣形狀，必要時(shí)可采用薄木板鑲邊（如圖2所示）。足墊與凹坑的著陸沖擊有3種模式：1）足墊落入凹坑中，但未與凹坑的邊緣發(fā)生接觸；2）足墊落在凹坑邊緣上，并有向凹坑內(nèi)滑移的趨勢；3）足墊落在凹坑邊緣上，并有向凹坑外滑移的趨勢。

3.4 試驗(yàn)測量

為了避免測量線纜束對模擬著陸器的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，可將實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)設(shè)備固定安裝在模擬著陸器上，并采取恰當(dāng)?shù)目箾_擊措施。試驗(yàn)測量參數(shù)主要包括：

1）模擬著陸器的著陸速度及姿態(tài)。一般采用高速攝像非接觸式測量，測量原理及方法可參見文獻(xiàn)[10]。試驗(yàn)后，需對比分析投放時(shí)刻和著陸時(shí)刻的著陸速度與姿態(tài)，以確定投放過程的偏差量，便于后續(xù)試驗(yàn)中修正試驗(yàn)投放控制參數(shù)。

2）著陸緩沖機(jī)構(gòu)主、輔支柱的緩沖行程，足墊的下陷深度和滑移距離。這是直接反映著陸緩沖機(jī)構(gòu)綜合緩沖性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也是仿真分析的主要修正目標(biāo)；可由試驗(yàn)前后鋼卷尺的長度測量結(jié)果計(jì)算獲得。

3）著陸緩沖機(jī)構(gòu)各接頭處載荷。采用三向力傳感器串接在著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主輔支柱與模擬著陸器的連接處進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，一般采樣頻率不低于1 kHz，數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行低通濾波。通過對各工況下載荷的統(tǒng)計(jì)分析，能夠獲得著陸緩沖機(jī)構(gòu)的最大使用載荷包絡(luò)。

4）模擬著陸器底板與模擬月面的最小距離。一般在試驗(yàn)后采用鋼卷尺于底板周邊進(jìn)行多點(diǎn)測量，然后結(jié)合各套著陸緩沖機(jī)構(gòu)主、輔支柱的緩沖行程，可在三維模型中反演出最終著陸姿態(tài)，并與前述高速攝像測量結(jié)果進(jìn)行對比。

4 試驗(yàn)實(shí)例

根據(jù)本文所述試驗(yàn)方案，表1給出了6次典型試驗(yàn)工況示例，其中2-2模式為對稱著陸模式，即一側(cè)兩條腿先同時(shí)著陸后，另一側(cè)兩條腿再著陸；1-2-1模式為一條腿先著陸后，相鄰兩條腿同時(shí)著陸，最后對角腿著陸。

表1 試驗(yàn)工況示例Table 1 Examples of the test conditions

以工況3為例，試驗(yàn)前后現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖3 工況3試驗(yàn)前后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3 Field view before and after test under working condition III

各個(gè)主支柱接頭處載荷的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如圖4所示，可以看出采用典型著陸工況修正后的仿真模型對極限緩沖性能工況即輔助支柱最大拉伸工況進(jìn)行仿真，其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本趨勢一致。試驗(yàn)中，第一、四象限足墊落點(diǎn)位于坑邊緣，緩沖時(shí)向坑內(nèi)滑移，落入坑中后存在二次緩沖；而仿真難以模擬坑邊緣的坍塌效應(yīng)，故遵循2-2對稱模式著陸規(guī)律。將仿真模型中的重力場設(shè)置為月球重力場，即可對飛行任務(wù)的著陸緩沖過程進(jìn)行預(yù)示。

圖4 各個(gè)主支柱接頭處載荷的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of simulation and test data of joint forceat the connection of each main pillar

5 結(jié)束語

本文提出了一種全尺寸模型在地球重力場條件下進(jìn)行綜合緩沖性能驗(yàn)證的方法。該方法是基于“將著陸面地形的多樣性與不確定性，轉(zhuǎn)化為著陸緩沖機(jī)構(gòu)主、輔支柱在設(shè)計(jì)緩沖行程范圍內(nèi)組合的有限性與確定性”的原理。相比于1/6縮比模型方法，本文方法無需額外設(shè)計(jì)、加工縮比試驗(yàn)件；相較于傾斜木板模擬重力場和真實(shí)著陸器加電試驗(yàn)方法，本文方法實(shí)施過程相對簡單，且能在較寬范圍內(nèi)精確控制投放初始條件。通過各種著陸工況的合理設(shè)計(jì)，有效覆蓋各級緩沖載荷，達(dá)到全面驗(yàn)證的目的。其可以作為著陸緩沖機(jī)構(gòu)相關(guān)試驗(yàn)的參考，對后續(xù)我國深空探測以及載人登月領(lǐng)域軟著陸機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證具有指導(dǎo)意義。