深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252014V01．35No．2541．554ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素陈金宝1’*，聂宏2，万峻麟31．南京航空航天大学航天学院，江苏南京2100162．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京2100163．中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏南京210016摘要：以对称分布四腿悬架式月球着陆器为研究对

2、象，建立了着陆器软着陆过程六自由度动力学模型并改进了月壤摩擦系数模型；在以上动力学模型基础上，以月球着陆器为例编制了着陆器软着陆六自由度动力学分析程序，利用该程序分析了探测器全机月面软着陆性能，重点研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面倾斜角度等参数对探测器着陆性能的影响。研究表明上述影响因素对着陆器着陆缓冲性能影响显著，通过对以上参数的合理选择可以有效缓解月球探测器月面软着陆的着陆冲击过载。关键词：着陆器；动力学；数字化；月壤；缓冲中图分类号：V44；V476．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(20

3、14)02—0541—14对深空探测着陆器整个着陆过程进行动力学分析是探测器设计和研究的一个重要环节，经过动力学分析可以较全面的了解探测器在目标天体表面各种工况下着陆时的水平速度、垂直速度、机体过载、着陆姿态和转动角速度等重要性能参数，还可以了解探测器的机体弹性、土壤等因素对着陆稳定性的影响规律。以月球探测器为例，国内外对这一构型探测器的动力学研究工作主要集中于对月球探测器进行对称面内的二维动力学分析和研究[1’3]，进而有部分学者从理论上对月球探测器六自由度动力学进行了一定的分析，且以往研究工作中通常假设探测器和月球表面为刚性平

4、面，仅考虑足垫在月面的滑移，或忽略探测器在着陆过程中由于承受月面横向冲击而引起的滑动，或仅考虑足垫对月面的渗透及二者的相互作用[4。9]。上述研究工作对于精确开展月球探测器着陆动力学及其稳定性分析还有所欠缺[1小13]。伴随着国际深空探测步伐的加速，着陆器作为着陆目标天体的重要“交通工具”，目前在国外正朝着系列化、通用化方向发展。鉴于此，论文基于月球探测器研制工作的需求，结合我国“嫦娥”探月二、三期工程需要，选择深空探测常用的对称分布四腿悬架式月球探测器为研究对象，对其在月球表面的着陆过程进行详细的动力学分析，建立月球探测器六自由

5、度全机着陆动力学模型，开发着陆器安全性、稳定性及着陆冲击性能模块，实现着陆器设计、分析一体化设计，该系统经扩展可应用于其他深空探测着陆器设计当中，可显著提高相关深空探测着陆器设计效率。收稿日期：2013—07—01；退修日期：2013—08—02；录用日期：2013一09—20；网络出版时间：2013-10-1520：59网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20131015．2059．002．html基金项目：国家自然科学基金(51105196)；江苏省自然科学基金(BK2011733

6、)；南京航空航天大学基本科研业务费(NS2013086)*通讯作者．Tel．：025—84896516—6203E-mail：chenjbao@nuaa．edu．crl引用格武tChenJB．NieH．WanJL．oigitaldesignandlandingperformanceinfluencefactorsofdeepspacelander(J．]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(2)：541-554．陈金宝．聂宏．万峻麟．深空探鹂着陆器数字化设计及着陆性能影响因素[J

7、I．航空学报。2014．35(2)：541-554．航空学报1月球探测器月面软着陆动力学模型1．1着陆缓冲机构构型方案结合我国“嫦娥”探月工程及后续载人登月工程需要，选取四腿悬架式月球探测器为研究对象，其着陆缓冲机构构型方案如图1所示。secondan，Strut图I四腿悬架式月球探测器结构布局Fig．1Structuralconfigurationoffour-leggedsuspensionlunarlander针对该悬架式月球探测器的动力学分析和建模，为了使模型既能更好的反映月球探测器实际月面软着陆过程，又能较好地解决模型的

8、计算和求解问题，对该动力学模型作如下假设：①月球探测器被分为弹性支撑质量和非弹性支撑质量两部分。其中弹性支撑质量为主支柱铝蜂窝缓冲器所支撑的上部质量，包括了机体结构、月球车、着陆腿的主支柱外筒和辅助支柱以及分布于机体各部位的有效载荷等零部件的质量；