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1、航天返回與遙感第31卷第6期16SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2010年12月月球著陸器著陸穩(wěn)定性仿真分析蔣萬松黃偉(北京空間機(jī)電研究所，北京100076)摘要隨著中國(guó)深空探測(cè)的發(fā)展，在月球表面進(jìn)行著陸探測(cè)成為新的關(guān)注熱點(diǎn)，因此月球著陸器的著陸穩(wěn)定性研究成為一項(xiàng)重要課題。文章利用ADAMS軟件及其用戶子程序，對(duì)一種可展開四腿式月球著陸器的著陸穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)論為著陸器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞著陸模式穩(wěn)定性仿真月球探測(cè)器中圖分類號(hào)：V476．3；TP391．9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009
2、—8518(2010)06—0016—07SimulationAnalysisoflandingStabilityforLunarLanderJiangWansongHuangWei(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractWiththedevelopmentofdeepspaceexploration，Chinahasfocusedonlunarsurfaceexplorationafterlanding，andlandingstabili
3、tyoflunarlanderturnstobeanimportanttask．Inthispaper，landingstabilityoflunarI_an—derwithatypeofdeployablefour--leggedlandinggearwasstudiedbysimulationwithADAMSsoftwareanditssubmu··fine，whichcouldsupplyreferencestothesoft—landinggearoflunarlanderandoveralldesign．KeywordsLanding
4、modeStabilitySimulationLunarlander1引言月球是離地球最近的天體，月球探測(cè)自然成為人類進(jìn)行深空探測(cè)的首個(gè)目標(biāo)。采用了機(jī)械式著陸緩沖機(jī)構(gòu)的“月球”、“探測(cè)者”系列著陸器和“阿波羅”登月艙等均有成功著陸月球的先例，因此采用機(jī)械式軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行月球著陸是可行的，這在國(guó)內(nèi)已得到多數(shù)研究者的認(rèn)同。目前，著陸器著陸的穩(wěn)定性成為新的關(guān)注熱點(diǎn)。中國(guó)“探月工程”二期將研制并實(shí)施月球表面探測(cè)，為保證著陸器攜帶有效載荷不受損壞，必須實(shí)施軟著陸，而著陸緩沖技術(shù)是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。月球著陸器要在高真空、大溫變、月貌不確定等復(fù)雜環(huán)境
5、下實(shí)現(xiàn)軟著陸，必須在著陸沖擊過載、最終著陸姿態(tài)和著陸穩(wěn)定性等方面滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到月球著陸器在執(zhí)行采樣任務(wù)后要返回地球，返航時(shí)必須有結(jié)構(gòu)支撐作為發(fā)射平臺(tái)，所以還要考慮著陸緩沖過程和著陸后保持穩(wěn)定的著陸姿態(tài)。本文采用類似“阿波羅”登月艙的支腿式著陸緩沖機(jī)構(gòu)?，其機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，緩沖材料為鋁蜂窩。文章應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalsyst咖s，A工IAMS)軟件及其用戶子程序建立了著陸沖擊動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖2所示，并應(yīng)用該模型分析了預(yù)研著陸器在兩類著陸工況下的穩(wěn)定性。由于建
6、模方法和所編譯的子程序已經(jīng)得到了有效性驗(yàn)證怛J，這里不再贅述。收稿日期：2010—05—06基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程第6期蔣萬松等：月犟著陸器著陸穩(wěn)定性仿真分析17圖1“阿波羅”登月艙結(jié)構(gòu)外形圖2足墊與月面的接觸模式圖2著陸沖擊動(dòng)力學(xué)仿真模型已有的月球著陸動(dòng)力學(xué)研究較多關(guān)注著陸器自身的緩沖性能，對(duì)足墊與月壤的接觸考慮較少，而地面著陸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，月壤的物理機(jī)械性質(zhì)對(duì)著陸過程動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有很大影響；另外，足墊與月壤的接觸大都采用了ADAMS自帶IMPACT函數(shù)是彈性接觸，不能真實(shí)地模擬足墊和月壤的接觸，影響著陸過程響應(yīng)和著陸穩(wěn)定性分析。本文則采用了
7、彈塑性接觸模型，假設(shè)月面與足墊相互作用力F分為法向力和摩擦力，其中法向力凡可表示為：恥{：’、胗‰(1)凡2iF。．ta．h(y+朋一‰)，≥<。y。。(1)式中Y為當(dāng)前時(shí)刻足墊陷入月壤的深度；Ym=為當(dāng)前時(shí)刻為止足墊陷入月壤的最大深度；Y0為常量(若Y單位為mm，Yo可取3mm以保證函數(shù)有較好的連續(xù)性)；F一為最大深度處的法向接觸力。F定義為：F=Po+koy+巧+(k1)：2+k2多3+k3多’)+Y(
8、
9、}4歹2+k5夕3+k6y’)(2)式中Po為月壤表面承載力；ko為月壤彈性系數(shù)，ki(i=1，2，3，?，6)為相關(guān)系數(shù)，且均與足墊的幾
10、何形狀有關(guān)；c為阻尼系數(shù)。式(2)包括了“阿波羅”登月艙、“探測(cè)者”系列著陸器及JAxA月球著陸器著陸仿真所采用的月壤力學(xué)性質(zhì)的描述[3
