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月球探测器软着陆缓冲机构方案设计及关键技术研究

丁立超  
【摘要】: 月球是距离地球最近的天体,具有可供人类开发和利用的许多独特资源,因而月球的开发和利用对人类的发展具有重要的意义。目前世界主要航天国家都已经开展了各自的月球探测计划,我国继成功实现载人航天后,也已经启动了月球探测计划——“嫦娥工程”。在月球成功实现软着陆是整个月球探测计划中最基本的环节之一,对月球探测器软着陆缓冲技术的研究对我国的探月工程和其它深空探测活动都具有重要的意义。 由于月球探测器存储空间限制,月球探测软着陆器的结构采用收缩伸展的支撑杆式结构,并依据各部分功能分别建立了三支撑杆式和四支撑杆式月球探测软着陆器的三维模型。比较国内外月球探测器的主要构型形式,分析了四支撑杆简单支柱式、三支撑杆式、复杂桁架式软着陆器在结构难易、技术实施、着陆稳定性、携带载荷重量、着陆倾覆反弹等方面的区别。 依据所建立的四支撑杆简单支柱式软着陆器模型,简化得出软着陆器动力学模型,并在此基础上建立软着陆器着陆三自由度数学模型。对着陆器进行三自由度动力学分析,得出着陆时在支撑柱随缓冲材料受力变形的不同阶段的受力情况;并对着陆过程一个重要参数——倾覆角进行分析计算,保证软着陆器在倾斜角度小于等于15°的月面着陆不发生倾覆。 对所建立的月球探测软着陆器模型进行动力学仿真,设计仿真输入的主要参数,并针对着陆月面为水平面及15°斜面两种工况进行撞击月面动力学仿真。从着陆器主支柱的缓冲载荷与行程变化,以及着陆器质心处的冲击加速度两方面验证软着陆器实体模型的正确性和可行性。 最后,针对月球探测软着陆器的关键部件——缓冲机构,采用蜂窝铝材料作为缓冲材料,并设计了弹簧-齿轮机构,可实现着陆器姿态的自行修复。还设计了安置于辅助支柱的展开锁定机构,可实现软着陆器在着陆前的完全展开。


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