小行星跳跃探测器着陆跳跃运动仿真研究

摘要

小行星探测对探索宇宙的历史和演化、生命的起源、探寻太空资源、探测深空环境以及防范近地小行星的威胁等都具有重要的意义。对小行星进行详细探测研究的理想方式是利用着陆探测器对其进行表面现场探测。针对小行星特殊的微重力的环境，跳跃探测器是解决在小行星微重力场下移动行走问题从而进行小行星表面探测的理想方案。本文针对跳跃探测器在小行星表面跳跃过程的动力学建模和着陆与跳跃过程中运动的影响因素进行了研究：
　　引入基于瞬间碰撞假设的瞬间碰撞模型，建立了基于瞬间碰撞模型的探测器跳跃过程的2D动力学模型，推导了其动力学方程。建立了基于连续接触力模型的探测器跳跃过程的2D和3D动力学模型。
　　通过相同的仿真算例对基于瞬间碰撞模型的跳跃探测器2D动力学模型和基于连续接触力模型的跳跃探测器2D动力学模型的计算结果的对比，互相验证了两种动力学模型的合理性，并分析了两种模型在一些情况下的计算结果差别很大的主要原因。
　　分析了跳跃探测器在小行星表面着陆和跳跃过程运动的主要影响因素，包括：恢复系数、摩擦系数、地面刚度系数，重力加速度，跳跃探测器初始速度、跳跃探测器初始角速度。通过仿真分析各个因素的影响，得出如下结论：
　　恢复系数对仿真结果的影响较大，在动力学建模研究之中，应当尽量选取最接近真实情况的恢复系数。
　　刚度系数对模型的第一次跳跃的仿真结果的影响很小，但从长期来看，刚度系数对于长时间的跳跃过程会有一定影响。在动力学建模研究中，若不是对精度要求十分高或仿真时间相对较短，可适当放宽对刚度系数的准确性的要求。
　　小行星的重力加速度是影响跳跃探测器着陆和跳跃过程的一个非常重要的因素，需要对小行星的引力场有尽可能精确的了解，动力学建模中需要选择较为精确的引力场建模方法。
　　摩擦系数也是影响探测器着陆跳跃过程的一个重要的因素，在动力学建模中需要尽量选取接近真实情况的摩擦系数。同时，表面较为粗糙的小行星更不利于探测器的着陆。
　　跳跃探测器的质心初始速度对其在小行星表面的着陆和跳跃过程的运动影响很大，其中质心初始速度竖直方向的分量影响最为显著比XOY平面的分量影响更大；质心初始速度在XOY平面的分量对跳跃探测器在XOY平面的跳跃方向和跳跃终点相对着陆点的方位有决定性的影响。从跳跃探测器在小行星着陆的要求来看，明显地需要尽量减小跳跃探测器在小行星着陆的初始速度，从而使得跳跃探测器着陆到停在小行星表面的时间尽量短，并且最终停下来的地点不会离预定的着陆点太远。
　　跳跃探测器的初始角速度同样是对跳跃探测器在小行星着陆和跳跃过程中影响较为重要的一个因素，但与质心速度相比，影响没有那么显著，并且竖直方向的分量的影响相对其他两个方向更弱。因此在着陆与跳跃过程中，对初始角速度的要求相对宽松，并不需要将其严格地控制在非常小的范围内，但在系统能力允许的情况下还是使其尽量小，以使跳跃探测器在着陆后能够尽快地停在小行星的表面。总的来说，跳跃探测器的初始角速度与初始速度相比对跳跃过程的影响更小，因此对于着陆与跳跃过程的控制来说首先应当关注的是初始质心速度，其次是初始角速度。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的意义和目的

1.2国内外研究现状及分析

1.3论文主要内容及章节安排

第2章 基本理论及数学模型

2.1引言

2.2碰撞动力学模型

2.3摩擦力模型

第3章 跳跃探测器跳跃运动动力学建模

3.1引言

3.2跳跃探测器的简化几何模型

3.3基于瞬间碰撞模型的2D动力学模型

3.4基于连续接触力模型的2D动力学模型

3.5瞬间碰撞模型与连续接触模型的对比分析

3.6跳跃探测器的3D动力学模型

3.7本章小结

第4章 探测器着陆跳跃过程的影响因素仿真分析

4.1引言

4.2着陆跳跃过程的影响因素

4.3不同影响因素对着陆和跳跃过程的影响仿真分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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