鉆采綜合性能測(cè)試系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整裝置研制

李建永，孫其龍，王開寶，姜生元，鄧湘金，羅春陽，高興華

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100081)

在探月工程三期中，著陸器在懸停階段結(jié)束后，將以自由落體落于月面，著陸器主腿、副腿將發(fā)揮緩沖、減振作用.4組支撐腿可能會(huì)產(chǎn)生距離不等的壓縮或者拉伸，導(dǎo)致著陸器本體相對(duì)于著陸平面產(chǎn)生最大不超過6°的俯仰傾角.綜合考慮著陸器著陸點(diǎn)的月面地形、地貌特征(最大坡度9°)，以及著陸器自身的俯仰傾角和月面石塊影響可知，著陸姿態(tài)將有多種可能.按照著陸器著陸姿態(tài)設(shè)計(jì)月面采樣機(jī)構(gòu)是方案設(shè)計(jì)中必須解決的問題，即要考慮月面采樣機(jī)構(gòu)對(duì)月面環(huán)境的適應(yīng)性問題.

為了模擬著陸器著陸月球表面時(shí)的各種姿態(tài)和極限著陸姿態(tài)，要進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證，因此，需要研制著陸器模擬件姿態(tài)模擬裝置.著陸器/上升器組合體模擬件固聯(lián)在姿態(tài)模擬裝置頂層，通過調(diào)節(jié)姿態(tài)模擬裝置實(shí)現(xiàn)著陸器著陸姿態(tài)模擬.本文研制的姿態(tài)模擬裝置與模擬件構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，為鉆取采樣裝置、表面采樣裝置、樣品封裝與轉(zhuǎn)送裝置提供試驗(yàn)安裝平臺(tái)，并可模擬多種月形環(huán)境下的著陸器著陸姿態(tài)；利用該系統(tǒng)可對(duì)模擬月壤鉆取采樣、表取采樣、樣品封裝與轉(zhuǎn)送等裝置進(jìn)行功能與性能綜合測(cè)試，并具有對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)的能力[1-2].

1 姿態(tài)調(diào)整裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 功能及性能要求

用于地面試驗(yàn)環(huán)境的姿態(tài)調(diào)整裝置功能指標(biāo)：能夠模擬月面著陸姿態(tài)的變化；可以調(diào)節(jié)著陸姿態(tài)的極限角度；能夠承載著陸器/上升器組合體的本體質(zhì)量；具有防塵功能.裝置的性能指標(biāo)參數(shù)見表1.

表1 姿態(tài)調(diào)整裝置性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of attitude adjustment device

圖1 姿態(tài)調(diào)整裝置系統(tǒng)組成Fig.1Composition of attitude adjustment device system

圖2 三腿支撐方案支撐腿位置分布Fig.2Position distribution of three-leg support scheme

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

姿態(tài)調(diào)整裝置由十字槽鋼支架、環(huán)形月壤槽、上支撐板、電動(dòng)缸升降機(jī)構(gòu)以及底部支撐架等組成，見圖1.

姿態(tài)調(diào)整裝置采用三腿支撐方案[3]，由3個(gè)電動(dòng)缸支撐，即三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu).結(jié)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)及連接動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)的3條運(yùn)動(dòng)支鏈組成.3條運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同，每條都由十字萬向節(jié)、移動(dòng)副和鉸鏈組成，萬向節(jié)的軸線垂直于移動(dòng)副的軸線及鉸鏈的軸線.當(dāng)機(jī)構(gòu)在原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)平臺(tái)繞某一固定點(diǎn)作圓周轉(zhuǎn)動(dòng).三支點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，并且各運(yùn)動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)對(duì)稱.支撐腿分布見圖2.

根據(jù)空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論，空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算結(jié)果為

式中：F為空間機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量；N為機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目；Ui為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束；g為物體間運(yùn)動(dòng)副數(shù)目.

姿態(tài)調(diào)整裝置的俯仰姿態(tài)調(diào)整見圖3.裝置由3個(gè)支撐腿支撐，在正俯狀態(tài)時(shí)，保持支撐腿電動(dòng)缸不動(dòng)(支撐腿高度不變)，控制支撐腿電動(dòng)缸；當(dāng)傾角為15°時(shí)，停止電動(dòng)缸伸長.在負(fù)仰狀態(tài)時(shí)，保持支撐腿電動(dòng)缸不動(dòng)，支撐腿同時(shí)升高；當(dāng)傾角為15°時(shí)，停止電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng).

圖3 姿態(tài)調(diào)整裝置俯仰姿態(tài)調(diào)整Fig.3Pitching attitude adjustment of attitude adjustment device

姿態(tài)調(diào)整裝置的側(cè)傾姿態(tài)調(diào)整見圖4.在正側(cè)傾狀態(tài)時(shí)，保持支撐腿高度不變，升高支撐腿Ⅰ、Ⅲ；當(dāng)傾角為15°時(shí)，停止支撐腿Ⅰ、Ⅲ電動(dòng)缸運(yùn)行.在負(fù)側(cè)傾狀態(tài)時(shí)，保持支撐腿Ⅰ高度不變，升高支撐腿Ⅲ；當(dāng)傾角為15°時(shí)，停止支撐腿Ⅱ、Ⅲ電動(dòng)缸運(yùn)行.姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)極限狀態(tài)下電動(dòng)缸伸出長度見表2.

表2 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)極限狀態(tài)下電動(dòng)缸伸出長度

圖4 姿態(tài)調(diào)整裝置側(cè)傾姿態(tài)調(diào)整Fig.4Tilting attitude adjustment of attitude adjustment device

1.3 電動(dòng)缸安裝分度圓的確定依據(jù)

著陸器的包絡(luò)范圍是在直徑為4.5 m的圓上，而支撐腿是作用在由槽鋼搭建的十字形架子的環(huán)形月壤槽內(nèi)，因此，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的實(shí)際可用范圍應(yīng)該處在直徑4.5 m的圓內(nèi)[4].但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，比較理想的空間尺寸是處于2.0～2.5 m的圓內(nèi).設(shè)計(jì)約束條件：

1)為了使操作平臺(tái)更具人性化、避免干涉以及提供月壤桶的操作空間，實(shí)際可用到的分度圓直徑在2.5 m之內(nèi).

圖5 模擬件極限角度質(zhì)心位置Fig.5Position of limit angle center of simulation piece

2)三點(diǎn)支撐組成三角形，支撐著陸器/上升器模擬件的質(zhì)心離三角形支撐面的距離大約在1.2 m，當(dāng)姿態(tài)調(diào)整旋轉(zhuǎn)15°時(shí)，模擬件質(zhì)心投影的分度圓直徑至少需要2.0 m.

3)為了能夠穩(wěn)定調(diào)節(jié)姿態(tài)調(diào)整裝置，電動(dòng)缸安裝的分度圓越大越好，因此，在符合各部分設(shè)計(jì)要求的前提下，取電動(dòng)缸安裝的分度圓直徑為2.5 m.

1.4 著陸器/上升器模擬件側(cè)翻問題分析

由于月面坡度和著陸腿的伸縮量不同，可能導(dǎo)致在月面存在不同的著陸姿態(tài).當(dāng)著陸器調(diào)整到不同姿態(tài)時(shí)，裝置出現(xiàn)側(cè)翻的可能情況包括：1)著陸器的支撐腿與接觸的環(huán)形月壤槽脫離；2)著陸器/上升器模擬件質(zhì)心投影在姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)底部的三角形之外，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)側(cè)翻[4].

模擬件極限角度質(zhì)心位置見圖5.為了保證著陸器模擬件不出現(xiàn)側(cè)翻，需要滿足以下條件：

1)著陸器與十字形槽鋼上的月壤槽非剛性連接，在姿態(tài)調(diào)整過程中需保證模擬件質(zhì)心不偏移出十字形槽鋼構(gòu)成的矩形范圍.

2)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)分布在由3個(gè)電動(dòng)缸組成的直徑2.5 m的分度圓上，模擬件處在姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)上方1.2 m處.經(jīng)模型測(cè)量與計(jì)算可知，著陸器/上升器模擬件俯仰和側(cè)傾到極限位置時(shí)，質(zhì)心在電動(dòng)缸搭建的三角形內(nèi)，距離三角形邊緣168 mm.為了更加穩(wěn)定和保險(xiǎn)，通過延伸支撐位置來擴(kuò)大底部支撐面積.因此，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定地坐落在地面，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻的情況.

2 姿態(tài)調(diào)整裝置設(shè)計(jì)方案理論分析

2.1 著陸器支撐腿支撐力設(shè)計(jì)計(jì)算

作為著陸器的支撐結(jié)構(gòu)，支撐腿對(duì)著陸器起到一定的支撐保護(hù)作用.通過計(jì)算著陸器支撐腿的支撐力可以有效防止在角度調(diào)節(jié)過程中著陸器側(cè)翻，同時(shí)更好地控制著陸器整體的自身載荷，保證安裝過程的安全[5].著陸器姿態(tài)調(diào)整裝置三維效果見圖6.

圖6 著陸器姿態(tài)調(diào)整裝置三維效果Fig.63D rendering of attitude adjustment device of the lander

著陸器由4個(gè)支撐腿提供支撐力.對(duì)著陸器進(jìn)行力學(xué)模型簡化，并在UG三維繪圖軟件中測(cè)得質(zhì)心點(diǎn)的位置.受力分析見圖7.

圖7 著陸器姿態(tài)調(diào)整過程支撐腿受力分析Fig.7Force analysis of the leg during the attitude adjustment of the lander

由空間力系平衡條件列寫平衡方程：

∑Fz=0，F(xiàn)1+F2+F3+F4=Mg，

(1)

∑Mx(F)=0，F(xiàn)2×OC-F3×OD=Mg×cos15°×26，

(2)

∑My(F)=0，F(xiàn)1×OA+F4×OB=Mg×cos15°×38，

(3)

∑Mz(F)=0，F(xiàn)f2×OC-Ff3×OD=Mg×sin15°×26

.

(4)

由式(1)～(4)聯(lián)立可得

F1=10 260 N,F2=F3=200 N,F4=5 340 N.

2.2 電動(dòng)缸支撐力設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)缸支撐力的計(jì)算結(jié)果，從滿足剛度、強(qiáng)度及使用性的角度確定電動(dòng)缸規(guī)格，確保著陸器在姿態(tài)調(diào)整過程中可以安全可靠工作[5].裝置支撐機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)見圖8.

圖8 裝置支撐機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)Fig.83D structure of support mechanism of the device

通過對(duì)著陸器姿態(tài)調(diào)整模型整體結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)裝置整體進(jìn)行力學(xué)模型簡化，在UG三維繪圖軟件中進(jìn)行測(cè)量，確定姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)整體質(zhì)心點(diǎn)的位置.受力分析見圖9.

圖9 著陸器姿態(tài)調(diào)整裝置支撐機(jī)構(gòu)受力分析Fig.9Force analysis of supporting mechanism of the device

∑Fx=0，F(xiàn)2x+F3x-F1sin15°=0，

(5)

∑Fz=0，F(xiàn)2z+F3z+F1cos15°=Mg，

(6)

∑Mx(F)=0，F(xiàn)1×OA+F3z×OC=Mg×1 425，

(7)

∑My(F)=0，F(xiàn)1×OA=Mg×1 200

.

(8)

由式(5)～(8)聯(lián)立可得

F1=1 055 N,F2x=F3x=1 200 N,F2z=F3z=4 880 N.

2.3 姿態(tài)調(diào)整裝置調(diào)整過程運(yùn)動(dòng)干涉檢查

著陸器/上升器模擬件需要適應(yīng)兩套鉆取機(jī)構(gòu)的安裝位置：一套與著陸器鉛垂方向成16°；另一套與著陸器鉛垂方向平行并且安裝在著陸器內(nèi)部.需要檢查模擬件在俯仰或者側(cè)傾的極限情況下與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)是否存在干涉[6-7].

月壤桶上部離地面的高度為2 955 mm，車體尺寸為2.0 m×1.8 m.在姿態(tài)調(diào)節(jié)過程中，月壤桶機(jī)構(gòu)的空間位置變動(dòng)與姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)干涉的可能性.設(shè)計(jì)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)底部支承座需要給兩套鉆取機(jī)構(gòu)的土槽車1、2調(diào)節(jié)預(yù)留足夠的空間.

圖10 調(diào)整過程運(yùn)動(dòng)干涉情況Fig.10Motion interference during adjustment

3 小 結(jié)

姿態(tài)模擬裝置設(shè)計(jì)是整個(gè)采樣分系統(tǒng)集成與驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)中技術(shù)含量較高、可深入研究性較強(qiáng)的一個(gè)功能件設(shè)計(jì)，影響整個(gè)采樣分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，對(duì)確保探月計(jì)劃三期的順利實(shí)施具有重要意義，要從方案設(shè)計(jì)、理論分析、運(yùn)動(dòng)干涉、支撐力計(jì)算等角度滿足月面采樣機(jī)構(gòu)對(duì)月面環(huán)境的適應(yīng)性要求.本文在滿足姿態(tài)調(diào)整裝置功能指標(biāo)及性能指標(biāo)要求的條件下，確定了姿態(tài)調(diào)整裝置的系統(tǒng)組成；根據(jù)著陸器的極限著陸姿態(tài)確定了電動(dòng)缸的伸出長度；對(duì)電動(dòng)缸安裝位置、模擬件側(cè)翻問題進(jìn)行了工況分析.在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)缸支撐力、著陸器支撐腿支撐力進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果顯示，均在安全范圍內(nèi).本次姿態(tài)調(diào)整裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便.