基于仿生蝗虫腿的登月舱着陆缓冲机构的设计研究

摘要

在载人月球探测活动中，登月舱是最重要的月面设备。登月舱在动力下降段最终着陆时，由于主发动机在着陆前关闭，登月舱在着陆时会具有一定的速度，在着陆的瞬间将承受巨大的冲击载荷。如果冲击载荷超过航天员的承受能力和科学仪器的过载，将会对仪器设备和人员造成严重伤害，导致任务的失败甚至威胁宇航员的生命安全。时至今日，探测器的设计需要系统化，机械化和自动化，传统的机构设计方案已经无法满足日渐先进的深空探测活动的需要。仿生机器人的设计和控制也趋于成熟，将仿生机器人的技术成果应用到航天机构的设计中也是未来的发展方向。本课题结合蝗虫腿部的结构特点，设计了一种新型的缓冲着陆机构，并进行了软件模拟分析。
　　蝗虫拥有十分优秀的跳跃能力，用很少的能量就可以跳30 cm高，70 cm远，并且在每次跳跃后都能平稳着陆，具有十分优秀的着陆缓冲性能。通过分析蝗虫的腿部结构和着陆策略，针对登月舱的实际结构参数和工作情况，提出了一种仿生蝗虫腿登月舱着陆缓冲机构。给出了机构的质量、长度、角度等基本参数，并建立了缓冲机构的运动学和动力学模型。通过对机构的有限元和等效刚性模型的仿真比较，确定了机构的等效模型。
　　着陆缓冲机构在竖直方向的缓冲能力是缓冲机构最基本的性能体现，论文对此进行了详细的仿真分析。得出了机构的加速度响应和能量吸收特点，并分析了在不同着陆速度下缓冲机构的最大加速度、最大冲程和能量吸收指标的变化。通过改变机构的缓冲器刚度和足垫伸出距离这两个关键结构参数，分析了参数与机构的缓冲性能的关系。与传统的着陆机构加速度比较说明，仿生蝗虫腿着陆缓冲机构的性能比较优秀。
　　实际工作情况中，由于各种因素的扰动和着陆表面的非平整性，考虑速度的水平分量和着陆表面的坡度十分必要。通过对着陆机构的着陆腿分组编号，分别模拟了登月舱以“1-2-1”着陆模式和“2-2”着陆模式下的加速度响应和能量吸收特点。并分析了不同水平分量和不同着陆坡度下缓冲机构的最大加速度、最大冲程、姿态角和能量吸收比例等性能指标的变化情况。结果表明在考虑水平速度和着陆坡度的情况下，“2-2”着陆模式要优于“1-2-1”着陆模式。

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2行星着陆器研究现状及分析

1.3仿生缓冲特性研究现状

1.4国内外研究状况的综述

1.5本文的主要研究内容

第2章 仿生蝗虫腿着陆机构模型的建立

2.1引言

2.2蝗虫的腿部结构

2.3蝗虫的着陆模式

2.4仿生蝗虫腿着陆机构的基础模型

2.5本章小结

第3章 竖直着陆工况下的缓冲性能

3.1引言

3.2竖直速度工况下的典型缓冲过程

3.3不同竖直速度下登月舱的缓冲性能

3.4缓冲着陆机构关键参数对登月舱缓冲性能的影响

3.5本章小结

第4章 具有水平速度工况下的缓冲性能

4.1引言

4.2具有水平速度的工况下的典型缓冲过程

4.3不同水平速度下登月舱的缓冲性能

4.4本章小结

第5章 考虑着陆坡度的缓冲性能

5.1引言

5.2考虑着陆坡度的典型缓冲过程

5.3不同着陆坡度下登月舱的缓冲性能

5.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢