着陆器软着陆缓冲稳定性仿真分析

摘要

在国际新一轮的空间探索中，月球资源开发成为各国竞争的焦点，而着陆月球进行探测开发逐渐成为一个重要趋势。我国的“嫦娥”探月工程计划以“绕”、“落”、“回”三个阶段对月球进行探测研究，其中，二、三期探月工程的一个重要环节就是实现月球探测器在月面的软着陆。着陆器的缓冲机构、着陆面地形和着陆初始条件选择是决定探月二、三期工程软着陆成败的关键。腿式着陆缓冲机构是国际上在着陆器中多数采用的一种适应性较强的软着陆机构。从国内外目前的研究现状来看，尽管对腿式着陆器的基本结构以及动力学特性的研究取得了一些成果，但对于着陆器在着陆过程中的稳定性研究还有所欠缺。基于此，本文在国内外对着陆冲击动力学的研究的基础上，通过建立着陆器整机动力学模型，对其进行在着陆过程的稳定性分析，以获取缓冲结构设计参数和稳定性初始条件，为我国月球着陆器的研制提供理论基础与支持。
　　 本文对目前腿式星球着陆器软着陆机构的应用现状进行了总结，阐述了软着陆机构的基本种类与构型，并总结了机器人稳定判断依据，提出着陆器稳定性判断依据的分析思路。接下来，本文基于铝蜂窝的压缩特性，运用C语言编写了铝蜂窝压溃动力学程序，建立了主辅缓冲支柱的动力学模型;基于月壤机械力学特性，构造出月壤的本构模型，继而应用C语言编写了月壤动力学子程序，建立月壤动力学模型。借助NASA对Apollo进行的地面实验数据，对所建立的动力学模型进行有效性验证。
　　 本文在建立着陆器整机仿真模型的基础上，先是对缓冲机构各重要参数进行探讨，分析它们对着陆冲击的影响。然后，借鉴Papadopoulos的力-角稳定性度量法，提出了稳定锥角法和着陆器着陆稳定性判断准则，应用其稳定性判断准则，对着陆器软着陆各种典型工况进行了数值模拟分析。最后，本文提出了综合稳定性指标，并以此为优化目标对着陆器主支柱铝蜂窝的压溃载荷与压缩行程进行合理的优化。上述研究成果为着陆器缓冲机构设计以及实现软着陆月面环境和初始条件的选择或类似的工程设计提供指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 研究背景及意义

1．3 国内外研究现状分析

1．3．1 国外研究现状分析

1．3．2 国内研究现状分析

1．4 稳定性理论研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 铝蜂窝与月面缓冲模型的建立及验证

2．1 引言

2．2 缓冲器结构

2．3 缓冲器模型的建立

2．3．1 铝蜂窝模型的压缩机理

2．3．2 铝蜂窝压溃力计算模型

2．3．3 铝蜂窝压溃模型在ADAMS中的实现

2．4 月壤力学模型的建立

2．5 仿真模型实例验证

2．6 本章小结

第3章 着陆器着陆过程的动力学模型及工况分析

3．1 引言

3．2 着陆器着陆过程中的动力学模型及基本假设

3．2．1 坐标系

3．2．2 着陆器基体模型

3．2．3 缓冲机构模型

3．3 着陆模型的建立

3．3．1 动力学基础

3．3．2 仿真模型

3．4 着陆工况的选择

3．4．1 着陆环境

3．4．2 着陆初始工况

3．5 本章小结

第4章 着陆过程中的稳定性理论及分析

4．1 引言

4．2 缓冲机构着陆动力学特性分析

4．2．1 主支柱内缓冲材料特性的影响

4．2．2 辅助支柱内缓冲材料特性的影响

4．2．3 足盘与月壤之间摩擦特性的影响

4．2．4 主支柱初始张角的影响

4．2．5 本节小结

4．3 稳定性分析理论及判断准则

4．3．1 稳定锥角法

4．3．2 基于刚体动力学的着陆稳定性判断准则

4．4 不同工况下着陆稳定性分析

4．4．1 偏航角0°工况

4．4．2 偏航角22．5°工况

4．4．3 偏航角45°工况

4．4．4 本节小结

4．5 综合稳定性指标的建立

4．6 主缓冲支柱铝蜂窝压溃载荷及压缩行程的优化

4．7 本章小结

结论

参考文献

致谢