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腿式星球着陆器动力学与稳定性研究

胡亚冰  
【摘要】:在国际新一轮空间探索中,登陆星体进行探测开发成为一个重要趋势。我国在“嫦娥”探月工程中,将于第二、三期开展月球软着陆勘查以及采样返回探测;载人登陆月球和火星也列入了空间科学发展战略目标。星球着陆器的成功软着陆是登陆探测活动成功的基础。可展开的腿式软着陆机构是国际上多数星球着陆器上采用的一种适应性较强的软着陆机构。从国内外目前的研究情况看,对其基本结构的设计和缓冲材料的研究虽然取得了一些成果,但对于软着陆机构展开、着陆器着陆过程中系统的动力学特性及稳定性这些关系到着陆器工作状态,影响任务顺利完成的关键问题的研究还有所欠缺。在国家自然科学基金项目“着陆探测器新型缓冲结构智能设计方法及着陆稳定性分析”支持下,本文从系统动力学特性和运动稳定性两个方面对采用腿式软着陆机构的星球着陆器的软着陆机构展开过程和整体着陆过程进行了研究,为着陆器基本构型的设计以及主要参数的选取提供了依据,为我国星球着陆器的研制提供了理论基础与支持。 首先,本文对目前腿式星球着陆器软着陆机构的应用与发展现状进行了总结,提出了着陆器主体、着陆腿结构和缓冲器的模块化设计分析思路。阐明了着陆器在发射、在轨飞行、着陆和着陆后阶段的动力学研究内容。根据着陆腿构型对现有的主要腿式软着陆机构进行了分类。对进行相关动力学与稳定性分析所涉及到的基本理论及研究现状进行了综述。 接下来,本文从动力学特性和运动稳定性两个方面对软着陆机构展开、着陆器着陆两大过程进行了研究。 对两类典型的可展开式腿式软着陆机构进行了运动学分析,比较了两类机构的展开运动性能。首次应用含有间隙的刚柔耦合多体系统动力学理论建立了软着陆机构展开过程中的系统动力学模型并建立了一型采用四支撑悬臂式软着陆机构的月球着陆器虚拟样机模型。对软着陆机构展开过程进行仿真分析,研究了支柱柔性、连接间隙、机构展开驱动力和着陆器总体自旋对展开过程的影响。 对腿式软着陆机构采用带有末端质量的外伸梁模型,研究了在着陆器基体受控,保持总体运动状态不变的假设下,软着陆支柱在其自身展开运动平面内大范围旋转运动的稳定性。在空间自由系统的假设下,研究了软着陆机构展开过程中系统的稳定性。该模型与稳定性分析方法也适用于其他具有类似结构与构件运动特点的航天器。 阐明了星球着陆器着陆过程动力学建模的关键问题,基于第一类拉格朗日方程了建立星球着陆器软着陆过程的动力学模型。研究了着陆器基体、软着陆机构和星球表面环境三个部分的结构特性、描述方式、合理的基本假设以及在仿真软件中的实现。提出了一种简便有效而切合实际结构特点的多级蜂窝缓冲器模拟方式。以某型月球着陆器软着陆机构为例建立仿真模型,分析了着陆方位,支柱缓冲器特性和月球地形等条件对着陆过程冲击加速度和运动状态变化的影响。 建立了着陆器着陆的静态稳定性判据,并运用其对三腿式和四腿式两种构型下结构参数对静态稳定性的影响进行了研究比较。以ZMP理论为基础建立了着陆器着陆过程的实时稳定性判据,加入了对滑移与转动的补充限定。应用弹簧阻尼模型研究了避免着陆反弹的条件。应用伸缩倒立摆模型研究了不发生着陆倾翻所需满足的初始条件并与总体刚体模型得出的结论进行了比较。以运动稳定性理论为基础,采用简化模型,基于动力学方程研究了着陆过程中系统的运动稳定性问题。建立了着陆稳定性研究的结构框架。


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