“天問一號” 著陸緩沖機構(gòu)吸能材料設(shè)計分析與試驗驗證

羅 敏，楊建中，韓福生，滿劍鋒

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094；2. 中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所, 合肥 230031）

引 言

深空探測器著陸緩沖機構(gòu)主要功能是通過能量吸收元件的塑性變形，吸收著陸時探測器在給定的初始速度下的沖擊能量，從而起到保護(hù)探測器著陸過程中設(shè)備和人員安全的作用。一般來說，深空探測器著陸緩沖機構(gòu)要求能量吸收元件具有力學(xué)特性穩(wěn)定、受空間環(huán)境影響小、緩沖特性在地面可以準(zhǔn)確測試等特點，同時能量吸收元件還要具備質(zhì)量輕、制備工藝簡單、緩沖效率高等特性[1]。目前深空探測著陸緩沖機構(gòu)常用的能量吸收元件包括金屬膨脹管、鋁蜂窩、拉桿等[2]。其中，拉桿利用高強韌金屬桿在拉伸塑性變形時高效吸收能量的原理，具有體積小、單位重量能量吸收比高、吸能性能穩(wěn)定的突出優(yōu)點，非常適合作為深空探測器著陸緩沖機構(gòu)的能量吸收元件。在中國”嫦娥三號”著陸緩沖機構(gòu)[3]和“天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)[4]中，都采用了拉桿能量吸收元件以吸收探測器著陸時的沖擊能量。

高錳奧氏體孿生誘發(fā)塑性鋼（Twining Induced Plasticity，TWIP）具有較高的抗拉強度以及突出的塑性，其抗拉強度顯著大于共晶Pb-Sn、單晶銅合金等塑性合金，同時又具備較一般高強鋼更為優(yōu)異的斷后伸長率（50%～110%），因此TWIP鋼兼具一定承載能力以及高效塑變吸能的綜合特性[5]。利用TWIP鋼制成拉桿、圓管等緩沖元件，能夠提供很高的緩沖塑性變形行程，并在變形過程中吸收大量的能量，非常適于作為緩沖機構(gòu)的能量吸收元件[6]。

TWIP鋼力學(xué)性能和TWIP鋼制拉桿能量吸收元件的安裝方式是影響探測器著陸緩沖機構(gòu)緩沖性能的關(guān)鍵因素。本文給出了TWIP鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，介紹了火星探測器著陸緩沖機構(gòu)中采用的TWIP鋼制拉桿的能量吸收設(shè)計，通過火星探測器著陸緩沖機構(gòu)沖擊動力學(xué)分析和著陸沖擊試驗，驗證了多種著陸工況下TWIP鋼制拉桿在著陸緩沖機構(gòu)中的緩沖性能。這些研究成果對TWIP鋼在后繼月球科考[7]、載人登月[8]等深空探測任務(wù)中著陸緩沖的設(shè)計和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。

1 “天問一號”著陸緩沖機構(gòu)吸能設(shè)計

1.1 拉桿能量吸收元件設(shè)計

拉桿是由金屬材料經(jīng)過機械加工制成兩端可固定、中間工作段直徑一定的長桿，其實物如圖1所示。將拉桿安裝在著陸緩沖機構(gòu)內(nèi)，著陸時產(chǎn)生的沖擊動能促使機構(gòu)發(fā)生相對運動，使得拉桿拉伸變形，從而將沖擊動能轉(zhuǎn)化為拉桿塑性變形能。通過調(diào)整拉桿的直徑可以調(diào)整拉桿輸出載荷，從而獲得著陸緩沖機構(gòu)需要的緩沖力。通過調(diào)整拉桿長度，結(jié)合金屬的塑性應(yīng)變，可以確定拉桿拉伸行程即最大的變形量，以上兩個參數(shù)決定了拉桿的吸能能力。

圖1 拉桿拉伸變形前后實物Fig. 1 Energy absorption pull rods (before and after deformation)

1.2 “天問一號”著陸緩沖機構(gòu)吸能設(shè)計

“天問一號”火星探測器于2021年5月15日成功著陸火星表面，使中國成為第三個實現(xiàn)登陸火星的國家?；鹦翘綔y器著陸緩沖機構(gòu)的構(gòu)型如圖2所示。與“嫦娥三號”著陸緩沖機構(gòu)[9]相比，由于火星具有大氣層導(dǎo)致探測器著陸飛行過程中產(chǎn)生高溫，火星探測器在著陸飛行過程中需要采用防熱大底對著陸探測器進(jìn)行熱防護(hù)，從而嚴(yán)格限制了著陸緩沖機構(gòu)的折疊包絡(luò)空間[10]，因此與“嫦娥”系列著陸器的著陸緩沖機構(gòu)不同，火星探測器著陸緩沖機構(gòu)采用了“倒三角架”的構(gòu)型，由2個多功能主緩沖器、支撐桿、足墊等組成，這種構(gòu)型具有更高的折疊效率。另外，狹小的安裝空間也嚴(yán)重限制了各個緩沖器的徑向尺寸，使得單位體積吸能率低的鋁蜂窩等緩沖材料無法使用，因為這些材料在達(dá)到需要的緩沖力時需要較大的徑向空間?；谏鲜鲈?，“天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)全部采用拉桿作為緩沖吸能元件，在多功能主緩沖器內(nèi)各布置了兩根拉桿。著陸時，利用主緩沖器向外滑移的相對運動，拉伸拉桿吸收縱向和水平方向的沖擊載荷。與“嫦娥三號”“嫦娥四號”探測器的著陸緩沖機構(gòu)相比，拉桿在“天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)中承擔(dān)了主要的能量吸收功能，對拉桿穩(wěn)定性和可靠性要求更高。

圖2 “天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)和拉桿應(yīng)用示意圖Fig. 2 The soft landing gears and pull rods made by TWIP steel for Tianwen-1 Mars lander

2 TWIP鋼塑性變形機理和力學(xué)性能

如上所述，拉桿采用的金屬材料力學(xué)性能，直接決定了拉桿緩沖吸能性能：金屬材料的拉伸應(yīng)力決定了單位材料的能量吸收能力；金屬材料的斷后伸長率，決定了拉桿的最大緩沖拉伸行程，因此，高拉伸應(yīng)變和高斷后伸長率有利于增強拉桿的能量吸收能力。此外，在深空探測器上使用時，空間高低溫環(huán)境對材料特性具有重要影響，能夠在極端高低溫環(huán)境保持穩(wěn)定力學(xué)性能，是拉桿材料的關(guān)鍵特性之一。

TWIP鋼具有較高的抗拉強度以及突出的塑性，符合著陸緩沖機構(gòu)的能量吸收材料需求。利用TWIP鋼制成拉桿元件，能夠提供很高的緩沖塑性變形行程，并在變形過程中吸收大量的能量。

2.1 TWIP鋼高塑性微觀機理

圖3給出了TWIP鋼在不同拉伸應(yīng)變量下的微觀組織。由圖3（a）可以看出，TWIP鋼原始組織主要由等軸奧氏體晶粒與少量退火孿晶組成。隨著塑性變形的進(jìn)行，晶粒逐漸沿著拉伸方向拉長，許多形變孿晶也逐漸產(chǎn)生，見圖3（b）、圖3（c）。應(yīng)變繼續(xù)增大時，晶粒的變形更加明顯，形變孿晶密度增加，如圖3（d）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，TWIP鋼拉伸變形時，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化最明顯的特征是：形變孿晶的出現(xiàn)，而且孿晶量隨著變形的進(jìn)行逐漸增多。形變孿晶一般在拉伸至5%～10%時出現(xiàn)，因此塑性變形的開始階段主要依靠滑移，孿晶出現(xiàn)后，則以孿生變形機制為主。

圖3 TWIP鋼在不同拉伸應(yīng)變條件下的微觀組織Fig. 3 The micro-structure of directionally solidified twinning-induced plasticity (TWIP) steel under different strain

2.2 TWIP鋼拉伸力學(xué)性能

圖4 給出了TWIP鋼在室溫條件下的靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與常規(guī)碳鋼或者不銹鋼材料相比，該材料在具有較高的抗拉強度的同時，具有突出的塑性，材料拉伸應(yīng)變能夠達(dá)到85%以上。這是因為TWIP鋼塑性變形中，大量形變孿晶的出現(xiàn)，產(chǎn)生動態(tài)Hall-Petch效應(yīng)，一方面可有效提升材料強度，同時也使應(yīng)變由高應(yīng)變區(qū)向低應(yīng)變區(qū)轉(zhuǎn)移，宏觀上顯示出均勻的無頸縮伸長，從而表現(xiàn)出極高的塑性。

圖4 TWIP鋼室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Engineering stress and strain curve of TWIP steel under room temperature

2.3 TWIP鋼高低溫力學(xué)性能

TWIP鋼在低溫（-60℃）、室溫（RT）和高溫（100℃）下的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率對比如圖5所示?？梢钥闯觯S溫度升高，TWIP鋼材料屈服和抗拉強度有一定程度的降低，但是在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的塑性變形性能，材料斷后伸長率均超過65%，且受溫度影響較小，這一特性有利于保證在深空高低溫條件下深空探測器著陸緩沖機構(gòu)的安全裕度，不會因為緩沖材料斷裂而導(dǎo)致著陸緩沖機構(gòu)失效。

圖5 TWIP鋼不同溫度下力學(xué)性能對比Fig. 5 The mechanical characteristics of TWIP steel under different temperatures

3 拉桿能量吸收性能分析和試驗驗證

3.1 數(shù)值模型

圖6給出了單套火星探測器著陸緩沖機構(gòu)沖擊動力學(xué)模型。模型中各緩沖器結(jié)構(gòu)和足墊采用殼單元建模，并采用理想鋁合金彈塑性材料模擬材料特性。主緩沖器內(nèi)的拉桿采用梁單元建模，并采用圖4所示的TWIP鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變模型。著陸器采用剛體模型并施加給定的初速度。主支柱內(nèi)筒和外筒之間、足墊和著陸面之間采用庫倫摩擦模型模擬接觸。圖6中給出了單套著陸緩沖機構(gòu)緩沖前后的變形狀態(tài)。著陸器以一定的初始速度下降，推動足墊在著陸面上滑行。在滑行過程中，主支柱受到壓縮載荷作用，使得內(nèi)部的拉桿發(fā)生塑性變形。

圖6 著陸緩沖機構(gòu)能量吸收過程Fig. 6 Energy absorption process of soft landing gear

3.2 沖擊試驗

著陸緩沖機構(gòu)沖擊試驗系統(tǒng)如圖7所示。著陸緩沖機構(gòu)安裝在投放籃上，投放籃配置了1/4著陸器的重量并被抬升到0.75 m高度，用于提供預(yù)期的著陸速度及初始動能。在每個緩沖器和投放籃之間安裝了力傳感器，用于測量從緩沖器輸入到著陸器的載荷大小。在著陸面的下面安裝了多維測力平臺用于測量足墊和著陸面的接觸力。拉桿的變形量可以在試驗后通過幾何尺寸測量得到。

圖7 著陸緩沖機構(gòu)沖擊試驗Fig. 7 Droping test of soft landing gear

3.3 仿真和試驗結(jié)果分析

火星著陸任務(wù)設(shè)計時，著陸緩沖機構(gòu)需考慮多種復(fù)雜地形的著陸工況[11]，因此通過設(shè)置多種不同的著陸面，分析火星探測器著陸緩沖機構(gòu)在不同地形條件上的著陸能力和緩沖效果。仿真和試驗結(jié)果對比如圖8所示，設(shè)置了水平地面、斜坡、球形障礙3種典型地形條件。仿真分析和試驗的著陸緩沖機構(gòu)變形姿態(tài)吻合良好。每種工況下能夠觀察到明顯的足墊滑移和拉桿塑性變形，表明著陸緩沖機構(gòu)在設(shè)定的不同工況下都能按照設(shè)計預(yù)期正常工作。

圖8 著陸緩沖機構(gòu)在不同條件下的變形響應(yīng)Fig. 8 Deformation response of the landing gear under different conditions

著陸沖擊載荷峰值、拉桿拉伸長度在每次試驗后進(jìn)行了測量，并與仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對比，如表1所示。所有的仿真結(jié)果都與試驗結(jié)果較為一致，說明仿真模型能夠有效地的預(yù)測著陸緩沖機構(gòu)的性能。著陸沖擊載荷峰值隨著拉桿變形長度增大而增加，這與TWIP鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相吻合。拉桿的最大拉伸變形試驗實測為85.0 mm，仿真分析為79 mm，都小于拉桿最大允許拉伸長度120 mm。這說明著陸緩沖機構(gòu)具有足夠的能量吸收能力。在著陸緩沖機構(gòu)的作用下，輸入著陸艙的沖擊響應(yīng)載荷受到了限制，低于著陸艙結(jié)構(gòu)能夠承受的沖擊載荷極限。綜合來看，TWIP鋼拉桿能夠有效地吸收著陸器的沖擊動能，在允許的緩沖行程范圍內(nèi)限制輸入著陸艙結(jié)構(gòu)的沖擊載荷，保證著陸安全。

表1 試驗和仿真對比Table 1 Comparison of simulation and testing results

4 結(jié) 論

本文介紹了“天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)中采用的TWIP鋼制拉桿吸能的設(shè)計原理。給出了TWIP鋼微觀組織、高塑性變形機理及其在不同溫度條件下的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：

1）TWIP鋼與常規(guī)金屬材料相比，極限拉伸應(yīng)力可達(dá)600 MPa，斷后伸長率可達(dá)72%以上，并且在極端高低溫條件下都能保持優(yōu)良的塑性變形能力，能夠很好地適應(yīng)深空探測器著陸緩沖機構(gòu)對拉桿能量吸收穩(wěn)定性和材料延伸率、環(huán)境適應(yīng)性的苛刻要求。

2）著陸沖擊動力學(xué)仿真和著陸沖擊試驗結(jié)果表明，應(yīng)用基于TWIP鋼材料的拉桿作為緩沖元件，“天問一號”火星探測器著陸緩沖機構(gòu)能夠在各種復(fù)雜著陸工況下有效地吸收沖擊能量并且保持載荷輸出的穩(wěn)定性。

3）在軌飛行驗證表明，TWIP鋼制拉桿保證了“天問一號”等深空探測器的成功著陸。