模拟月壤力学特性及软着陆足垫动力响应研究

摘要

月球是距离地球最近的星球，具有丰富的矿物资源，开展月球探测对人类发展具有十分重要的意义。围绕“绕、落、回”的三阶段探月目标，我国探月事业正在轰轰烈烈开展。目前，我国探月一期工程已经圆满完成，探月二期正在实施。着陆探测器的安全平稳月面软着陆是探月二期主要任务之一、是探月工程三期目标实现的首要条件。着陆缓冲机构的足垫首先与月面接触，产生相互作用力和相对运动，然后依靠缓冲器吸能缓冲，实现着陆器在月面的安全平稳着陆。月壤在足垫冲击荷载作用下的力学特性以及着陆过程中月壤与足垫界面特性是影响着陆缓冲的关键因素。
　　 本文从模拟月壤TJ-1的颗粒特性统计出发，采用室内试验研究了模拟月壤的静力特性、动力特性和足垫与模拟月壤接触面特性，并获得了模拟月壤的主要力学参数和接触面参数；根据着陆冲击过程中各阶段的特点研发了竖向冲击模型试验和水平拖曳模型试验装置，并开展了大量模型试验；根据模型试验结果，结合土力学等理论，建立了竖向冲击力学模型和水平拖曳力学模型，最后采用运动轨迹理论将两个力学模型结合得到了描述着陆冲击过程的足垫与模拟月壤相互作用数学力学模型。具体如下：
　　 (1)通过对模拟月壤颗粒进行体视显微镜扫描，采用数字图像处理软件和计算机辅助程序，构建模拟月壤颗粒形状参数，对模拟月壤颗粒的形状指标进行量化分析。研究表明，模拟月壤颗粒与月壤颗粒形状相似，颗粒孔洞蜂窝结构明显，有多棱角、锯齿、沟槽结构。与砂土相比，模拟月壤颗粒表面更粗糙、更狭长。
　　 (2)通过室内试验测定了模拟月壤的压缩模量、压缩指数、弹性模量、抗剪强度指标等，利用压电陶瓷弯曲元测定了模拟月壤的剪切波速和压缩波速，计算得到了模拟月壤的小应变剪切模量和泊松比。
　　 (3)通过系统的动力三轴试验，获得了不同条件下模拟月壤的动强度、动剪切模量和阻尼比等，建立了模拟月壤的骨干曲线模型与阻尼比计算模型，为动力过程的模拟提供了理论依据和计算参数。
　　 (4)对模拟月壤与足垫材料的光滑接触面进行了系统的直剪试验，得到了接触面剪应力一剪切位移的关系曲线。研究了模拟月壤相对密度、法向压力、剪切速率等因素对接触面变形及强度参数的影响，建立了不同密实度下模拟月壤.足垫材料接触面模型。
　　 (5)根据软着陆过程中冲击阶段的性质和影响因素，设计研发了竖向冲击模型试验装置，针对冲击质量、冲击速度以及模拟月壤密实状态等因素，开展了大量模型试验。基于竖向冲击模型试验及数值模拟结果，修正了NASA提出的竖向冲击模型，考虑动力冲击过程中剪切破坏区渐进发展的特点，建立了两自由动力微分方程的足垫竖向冲击简化力学模型，提出了基于模拟月壤力学特性的模型参数确定方法。
　　 (6)研制了模拟足垫水平滑移过程的水平拖曳模型试验装置，针对拖曳速率、足垫姿态、刺入深度以及模拟月壤密实状态等因素，开展了大量模型试验，基于模型试验成果，采用滑移线理论和能量守恒原理建立了分析足垫水平滑移过程的力学模型，通过与试验成果对比分析，提出了力学模型参数的确定方法。
　　 (7)介绍了NASA软着陆斜冲击模型，并对模型进行了简单的探讨。采用运动轨迹理论将本文提出的竖向冲击力学模型和水平拖曳力学模型结合，得到了描述着陆冲击过程中足垫与模拟月壤相互作用力学模型。