鋁合金蜂窩月球軟著陸緩沖裝置設計

許東

摘 要 論文針對設計要求，結合月球著陸的特點，確定了月球軟著陸緩沖裝置的布置方案。查閱資料，了解鋁合金蜂窩結構的性能和特點，并結合軟著陸的參數限制，采用工程計算的方式，對緩沖器的緩沖裝置結構進行了設計。另外采取“四分之一質量沖擊”模型，進行了有限元軟件ABAQUS的有限元分析，完成了對所設計的鋁合金蜂窩緩沖裝置的緩沖性能的計算。

關鍵詞 月球 軟著陸 鋁合金蜂窩 沖擊模型有限元仿真

1 研究背景和意義

月球是地球的衛星，它有著表面引力小，無大氣層，磁場強度弱的特點。①作為科學研究的場所具有很多獨特的優勢，往往成為太空探測的第一站。一般情況下，當月球探測器在完成環繞之后變軌抵達月球表面時著陸速度還會有3～8m/s，這樣大的著陸速度勢必會引起較強的沖擊。軟著陸技術，又稱安全著陸技術，指采取專門減速措施將探測器在接觸地球或其他天體表面瞬時的橫向速度及垂直速度降低到能安全著陸的最小值的著陸方式。②軟著陸技術對于登月活動成敗具有重要意義。

鋁蜂窩緩沖器具有結構簡單，可靠性高，受溫度影響小的特點，因此在探月工程的初期階段被廣泛采用。

2 鋁蜂窩材料性能分析

蜂窩材料的變形分為異面壓縮（T向）和面內壓縮。因為異面壓縮的平均應力較大所以在設計緩沖器時2往往采用異面壓縮在實際工程運用中，鋁蜂窩材料可以看成較為理想的塑形材料，其應力應變曲線關系可以進行簡化，如圖1、圖2所示。

在理論上可以通過對鋁蜂窩結構的分析，利用復合材料領域的理論知識，得到鋁蜂窩材料的工程常數的一些理論計算數值。當鋁蜂窩結構在其T向有較大的塑形變形時，其工程參數可以進行適當的簡化，計算公式如圖3所示。

3 著陸器及緩沖器設計

著陸腿的數量在設計上主要存在有三腿式，四腿式，多腿式等設計形式。③三腿式的設計適合在質量較輕的探測器上采用。多腿式的設計形式較為復雜，本文設計的月球探測器質量達到4000kg，屬于同類探測器中較大，較重的類型，所以宜采用四腿著陸器的設計。主輔支腿連接采用的是可收攏的桁架式設計，具有結構較簡單，穩定性好，適應不同月球土壤環境等優點。但缺陷是抵抗橫向沖擊穩定性較差。④

根據設計要求，設計著陸器主體部分為2.5€？€？的矩形體，根據總體尺寸大小設計主著陸腿長3.6米，與機體固連處據底盤高1.5米，主著陸腿傾斜角為60€啊S燒廡┥杓頻玫階怕狡髯芴宀賈猛既繽？所示。在整個設計中，各部分的具體數目為，主著陸腿共計4，輔助支腿共計8，足墊共計4，主緩沖器共計4，輔助緩沖器共計8。

空間對稱的四腿式著陸器，在不考慮水平速度時，四腿同時著地時在垂直方向上會產生最大過載。單個著陸腿上的最大壓力為： =

式中，為整個著陸器的重量，為允許的最大過載，為著陸器支腿數，為支腿傾斜角。根據設計要求，著陸器質量為4000kg，最大允許過載為5，因此經過計算主著陸腿的最大允許壓力為 = 56.58kN。

為保證緩沖性能的可靠性，設計時考慮單支腿吸收垂直方向95%的能量，兩腿著陸時可完全吸收能量，四腿同時著陸時，所有一級緩沖鋁蜂窩能夠吸收95%的能量。

著陸器質量為4000kg，而著陸時速度為3m/s，因此在整個著陸緩沖過程中需要吸收的動能為18.0kj。初步暫定緩沖器行程為0.5m，因此緩沖過程結束后整個裝置重心會下降0.433m。這樣因緩沖結束導致著陸器重心下降引起的重力勢能變化： = HU = 2.81kj由能量守恒定律，考慮到四腿的一級緩沖吸收總能量的95%。

計算得一級緩沖設計緩沖力為26kN，行程0.2m又由之前計算可得到兩級緩沖總吸能應為14.57kJ，最后可以計算得到二級緩沖設計的設計緩沖力為32kN，行程為0.3m。

由以上設計，可以計算得到，單腿吸能能力為：

因此雙腿吸能能力為29.6kJ，四組一級緩沖的吸能能力為20.8kJ，滿足所提出的三個不同著陸情況下的吸能準則的要求。一級緩沖設計緩沖力為26kJ，二級緩沖設計的緩沖力為32kJ，均小于之前計算的最大承載力的數值。

至此，鋁蜂窩結構緩沖件的兩級緩沖的緩沖力和行程等緩沖參數的數值設計完畢。

等學者通過對鋁蜂窩材料進行大量的理論模擬和實驗機沖擊研究后，提出了鋁蜂窩材料在受到Z向壓縮或沖擊時發生異面壓縮時的平均應力公式。

帶入本文中的數據，參考一些現有的設計方案，可以選擇采用鋁蜂窩材料 = 0.1mm， = 8mm，=140MPa，由此帶入公式可以算得 = 0.622MPa。

鋁蜂窩緩沖件的截面形狀設計為為圓形，考慮到之前計算得到的一級緩沖的緩沖力 = 26KN，二級緩沖的緩沖力為 = 32kN，可計算得一級緩沖件直徑 = 0.24m，二級緩沖件直徑為0.28m。

緩沖器部分的結構草圖如圖5所示。

根據幾何關系，可以設計得到內筒的外徑為0.26m，外筒內徑為0.3m，外筒外徑0.32m，外筒壁厚0.01m。

根據已經設計得到的緩沖件緩沖總行程為：

= + = 0.5m

鋁蜂窩的異面壓縮的極限應變按0.7計算，那么可以得到兩級緩沖件分別長為0.7m和1.0m。由此得到緩沖件總長度為1.7m。

4 設計方案的參數與模型

設計方案的參數見表1，模型見圖6。

5 有限元仿真分析結果

采用ABAQUS有限元軟件建立模型進行有限元分析。鋁蜂窩緩沖器部分VOLUMN在緩沖前后的變化過程如圖7、圖8所示。

第一級變形過程中的VOLUMN部分的一級緩沖部分在與PART3部分接觸的地方的應力大概為5.028€？05Pa，與設計時的理論的壓潰時的平均應力0.6MPa大致相當，在沖擊過程之不會超過最大支承力。

從能量圖（圖9）可以看出，當鋁蜂窩結構部分緩沖行程達到0.5m時，單個主緩沖器的壓縮變形能量為14.7KJ，此數值與所設計相似。

能量圖在壓縮實驗進行0.17s左右時有一個轉折，說明此前發生的是一級緩沖裝置的吸能，數值大約為5.2kJ，在四腿同時著陸時，四個緩沖器的一級緩沖部分總共能夠吸收20.8kJ的能量，滿足要求。

至此，鋁合金蜂窩月球軟著陸緩沖裝置設計完成。

注釋

① 李立春（導師：聶宏）.月球探測器軟著陸緩沖機構緩沖性能分析研究.南京航空航天大學碩士論文，2009-12-01.

② 陳金寶，聶宏，汪岸柳等.月球軟著陸系統關鍵技術研究與發展綜述[J].中國機械工程，2006.17（8）：426-428.

③ E R L.Monte carlo approach to touchdown dynamics for soft lunar landing， TN D-23117[R].NASA，1965.

④ Roberrtw H， Waync L H. Dynamic model investigation of touchdown stability of lunar landingvehicles， TN D-4215[R].NASA，1967.