全向式气囊着陆装置缓冲过程的仿真研究

《全向式气囊着陆装置缓冲过程的仿真研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、78中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2010年2月第1期全向式气囊着陆装置缓冲过程的仿真研究邓春燕裴锦华(南京航空航天大学无人机研究院，南京210016)摘要为了探索火星着陆器缓冲着陆技术，以“火星探路者”登陆系统的全向式气囊缓冲装置为对象，采用大型有限元仿真分析技术，实现气囊结构和着陆过程的数学和力学建模，获得全向式缓冲气囊着陆的动态过程仿真；同时得到重要结构部位的过载、重点部位的位移和速度、气囊内部的压力和温度以及气囊结构的动态应力分布等重要指标性参数和变化曲线，确定了“火星探路者”登陆系统的缓冲特性及其仿真分析方法的工程应用

2、。关键词全向式气囊缓冲装置着陆数学模型仿真航天器1引言全向式气囊着陆装置是现代航空航天装置投放系统采用的一种非常有效的技术方案。采用此类缓冲气囊的好处主要有两点：首先，在着陆过程中对负载方向不敏感；其次，有较多的空间探测应用经验。全向式气囊系统的结构形式简单，在受冲击时，通过气囊内部气体的压缩做功来吸收返回舱的着陆动能，经过多次弹跳后将初始动能逐步耗散，最终着陆【l-4]。由于此类气囊着陆缓冲装置在工程设计中存在较大的技术难度，传统的工程设计方法仅能定量地分析缓冲装置设计的技术参数。本文以美国“火星探路者”为研究对象，建立了全向式气囊着陆系统的结构设计的数学模型和着陆缓冲过程的

3、数学模型，应用现代有限元仿真技术，对全向式缓冲气囊设计中的关键技术进行仿真分析，给出了满足气囊缓冲动力学性能的结构设计方法。以“火星探路者”登陆系统为例，如图l所示。该登陆器采用了一种新型的不带排气孔的着陆缓冲气囊系统。该气囊系统由4个子气囊系统构成，包括1个底部气囊和3个相同规格的侧面气囊。这4个子气囊系统形成一个封闭的区域，将装有设备的登陆舱包含在内部，能够在接地时给琶陆舱以充分的保护。每个子气囊内部都开有节流阀，使得子气囊内部的各个气囊都能与相邻的气囊相互连通，侧面气囊则通过通气孔与底面气囊相连。在着陆过程中，总有一个子气囊系统受压，气体将通过节流阀由受压气囊流入相邻的气

4、囊，一方面耗散部分着陆动能，另一方面使得载荷一行程曲线更加平缓。该着陆缓冲气囊系统对接地点的地形地貌和着陆冲击力方向不敏感，而且允许登陆器系统在接地后反弹和翻滚若干次。为了使气囊系统获得优越的着陆性能，“火星探图1火星探路者的气囊系统及其登陆舱863高科技研究发展计划(2008AAl2A205)项目资助收稿El期：2009—03—16。收修改稿日期：2009—06—222010年2月中国空间科学技术79路者”的登陆系统采用了多层气囊结构，气囊材料是带有硅酮涂层的Vectran织物。这种气囊材料具有高抗拉、抗撕裂强度，气囊能够承受高的面内载荷，并且在与陆面碰撞和接触摩擦时不被撕裂

5、或刺穿。气囊材料还具有很好的高温、低温力学性能，具备轻质、低透气性和低摩擦系数等特点。2结构设计的数学建模气囊系统模型包括气囊结构、气囊内部气体和登陆舱模型等部分。由于无法建立精细的结构模型，早期采用纯理论方法描述气囊结构的动力学行为。采用这种方法建模需要对实际结构进行大量简化，保留对气囊系统着陆缓冲性能最为关键的因素，略去一些次要因素的影响。随着计算机技术、有限元技术和计算方法的发展，使得在更为精确的层面上模拟气囊着陆缓冲系统的着陆过程成为可能。现代有限元仿真技术不但能够建立非常精细的气囊结构模型，而且可以考虑复杂因素，如着陆地面情况、摩擦力和气囊结构阻尼、热交换、气体发生器

6、充气过程、气囊的折叠一展开过程等的影响‘s-。2．1气囊结构的数学模型气囊结构模型主要由气囊织物结构、加强筋、收缩绳等模型组成。一般来说，假设气囊织物只能承受面内张力，而不能承受面内拉力，因此可以采用膜单元描述气囊织物在外载荷作用下变形。加强筋可以考虑为一维结构，采用一般的梁单元描述。收缩绳是一种只受拉不受压的一维结构，这类结构比较特殊，考虑到其工作情况较为简单，可以采用只有拉伸刚度而压缩刚度为零的非线性弹簧单元来描述。登陆过程的冲击载荷中的大部分高频成分可以被气囊结构的阻尼衰减掉，传递到登陆舱上的载荷仅包含低频成分，如果登陆舱结构本身的固有频率很高，则可将登陆舱结构作为刚体处

7、理。2．2气囊内部气体的数学模型均压模型假设气囊容积内的气体由理想气体方程描述【6]PV—mRT(1)式中P、y、T分别表示气囊内部气压、体积和温度；研表示气体质量或摩尔数；R为气体常数，R的具体取值取决于m的定义方式。如果进一步假设气体的热容系数哺1为常数，则可得到Gamma律方程P=(y一1)pe(2)Gamma律方程主要用于描述气体内能和密度与气压之间的关系，其中y=c。／“为Gamma常数，P为气体密度，e为气体内能。在实际计算过程中，需要在每一个时间步长内计算气囊内的气压、温度和气