月球着陆器着陆稳定性仿真分析

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1、航天返回与遥感第31卷第6期16SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2010年12月月球着陆器着陆稳定性仿真分析蒋万松黄伟(北京空间机电研究所，北京100076)摘要随着中国深空探测的发展，在月球表面进行着陆探测成为新的关注热点，因此月球着陆器的着陆稳定性研究成为一项重要课题。文章利用ADAMS软件及其用户子程序，对一种可展开四腿式月球着陆器的着陆稳定性进行了研究，研究结论为着陆器的着陆缓冲机构及总体设计提供参考。关键词着陆模式稳定性仿真月球探测器中图分类号：V476．3；TP391．9文献标识码：A文章编号：1009

2、—8518(2010)06—0016—07SimulationAnalysisoflandingStabilityforLunarLanderJiangWansongHuangWei(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractWiththedevelopmentofdeepspaceexploration，Chinahasfocusedonlunarsurfaceexplorationafterlanding，andlandingstabili

3、tyoflunarlanderturnstobeanimportanttask．Inthispaper，landingstabilityoflunarI_an—derwithatypeofdeployablefour--leggedlandinggearwasstudiedbysimulationwithADAMSsoftwareanditssubmu··fine，whichcouldsupplyreferencestothesoft—landinggearoflunarlanderandoveralldesign．KeywordsLanding

4、modeStabilitySimulationLunarlander1引言月球是离地球最近的天体，月球探测自然成为人类进行深空探测的首个目标。采用了机械式着陆缓冲机构的“月球”、“探测者”系列着陆器和“阿波罗”登月舱等均有成功着陆月球的先例，因此采用机械式软着陆缓冲机构方案进行月球着陆是可行的，这在国内已得到多数研究者的认同。目前，着陆器着陆的稳定性成为新的关注热点。中国“探月工程”二期将研制并实施月球表面探测，为保证着陆器携带有效载荷不受损坏，必须实施软着陆，而着陆缓冲技术是亟待解决的关键技术。月球着陆器要在高真空、大温变、月貌不确定等复杂环境

5、下实现软着陆，必须在着陆冲击过载、最终着陆姿态和着陆稳定性等方面满足设计要求。考虑到月球着陆器在执行采样任务后要返回地球，返航时必须有结构支撑作为发射平台，所以还要考虑着陆缓冲过程和着陆后保持稳定的着陆姿态。本文采用类似“阿波罗”登月舱的支腿式着陆缓冲机构⋯，其机构组成如图1所示，缓冲材料为铝蜂窝。文章应用机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalsyst咖s，A工IAMS)软件及其用户子程序建立了着陆冲击动力学仿真模型，如图2所示，并应用该模型分析了预研着陆器在两类着陆工况下的稳定性。由于建

6、模方法和所编译的子程序已经得到了有效性验证怛J，这里不再赘述。收稿日期：2010—05—06基金项目：国家重大科技专项工程第6期蒋万松等：月犟着陆器着陆稳定性仿真分析17图1“阿波罗”登月舱结构外形图2足垫与月面的接触模式图2着陆冲击动力学仿真模型已有的月球着陆动力学研究较多关注着陆器自身的缓冲性能，对足垫与月壤的接触考虑较少，而地面着陆试验发现，月壤的物理机械性质对着陆过程动力学响应有很大影响；另外，足垫与月壤的接触大都采用了ADAMS自带IMPACT函数是弹性接触，不能真实地模拟足垫和月壤的接触，影响着陆过程响应和着陆稳定性分析。本文则采用了

7、弹塑性接触模型，假设月面与足垫相互作用力F分为法向力和摩擦力，其中法向力凡可表示为：耻{：’、胗‰(1)凡2iF。．ta．h(y+朋一‰)，≥<。y。。(1)式中Y为当前时刻足垫陷入月壤的深度；Ym=为当前时刻为止足垫陷入月壤的最大深度；Y0为常量(若Y单位为mm，Yo可取3mm以保证函数有较好的连续性)；F一为最大深度处的法向接触力。F定义为：F=Po+koy+巧+(k1)：2+k2多3+k3多’)+Y(

8、

9、}4歹2+k5夕3+k6y’)(2)式中Po为月壤表面承载力；ko为月壤弹性系数，ki(i=1，2，3，⋯，6)为相关系数，且均与足垫的几

10、何形状有关；c为阻尼系数。式(2)包括了“阿波罗”登月舱、“探测者”系列着陆器及JAxA月球着陆器着陆仿真所采用的月壤力学性质的描述[3