星表著陸緩沖裝置縮比樣機全工況落震試驗系統設計與試驗方法開發

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(1.南京航空航天大學航天學院，江蘇 南京 211106；2.航天進入減速與著陸技術實驗室，江蘇 南京 211106；3.深空星表探測機構技術工信部重點實驗室，江蘇 南京 211106；4.陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京210006)

0 引言

近年來，我國航天事業所取得的成就有目共睹。自2003年“嫦娥”探月工程實施以來，目前已順利完成“繞、落、回”的前兩步，同時，也在積極論證探月四期、小行星探測、載人登火等多項深空探測任務[1-3]。其中，星表探測機構軟著陸技術作為深空探測的關鍵技術之一，直接影響深空探測星表著陸任務的成敗，研究星表探測機構軟著陸技術對深空探測發展有著重要的意義[4-6]。

在實際工程中，為了對星表著陸裝置的緩沖性能、可靠性和整機落震進行評估，除了理論建模和數字仿真以外[7-9]，在地面環境開展整機落震試驗也是必不可少的環節[10]。因此，落震試驗系統作為開展地面落震試驗的核心裝置，具有極其重要的研究價值。

然而，通過調研國內相關研究資料發現，目前我國用于星表著陸緩沖裝置的地面落震試驗,大多采用傳統的繩索懸掛、電磁吸盤或吊鉤等懸吊裝置。傳統的懸吊裝置在落震高度調節和鎖止釋放方式上均不夠便捷，裝置通用性也不足；此外，傳統的懸吊裝置難以控制樣機被釋放瞬間的姿態，很難模擬整機落震姿態不理想時的著陸工況，無法滿足星表著陸緩沖裝置對特殊工況落震試驗的要求[11-12]。

針對現有落震試驗裝置實際應用中存在的不足，本文設計了一種星表著陸緩沖裝置縮比樣機全工況落震試驗系統，并在該系統基礎上開發了對應的落震試驗方法，最后，基于有限元方法對臺架系統和水平框架系統進行結構力學性能校核，以驗證其是否具有足夠的剛度和強度。

1 落震試驗系統

本文所設計的針對星表著陸緩沖裝置縮比樣機全工況的落震試驗系統如圖1所示，該系統由臺架系統、提升系統、水平框架系統、姿態控制系統、鎖止釋放系統和高速攝像機6個部分組成，各部分工作原理如下：

a.臺架系統。該系統不僅要承擔整個試驗系統的重量，還要能承受縮比原理樣機的重力，這就要求所設計的試驗臺架在有限的體積內仍然要具備足夠的強度與剛度。

b.提升系統。該系統固定于臺架系統上，采用絲桿螺母的組合驅動系統將水平框架系統提升到預定高度，從而能夠較準確地模擬原理樣機落震試驗觸地瞬間的垂直速度。

c.水平框架系統。該系統通過在臺架系統上的垂直滑動來改變落震試驗的高度(即觸地瞬間的垂直速度)，通過改變水平滑軌上滑塊的移動速度來模擬原理樣機下落瞬間的水平速度，從而滿足落震試驗對觸地瞬間速度的要求，同時該系統需要具備足夠的強度與剛度。

d.姿態控制系統。該系統通過控制電動推桿中伸縮桿的長度來實現姿態控制，并考慮在電動推桿兩端安裝球鉸鏈以連接水平框架系統和鎖止釋放系統。球鉸鏈不僅安裝方便，安全可靠性高，而且控制靈活準確、扭轉角度大，可以配合電動推桿調節釋放姿態、水平或傾斜角度，滿足星表著陸緩沖裝置對不同下落姿態和本體-星表有相對夾角等特殊工況落震試驗的要求。

e.鎖止釋放系統。該系統上端鉸接于姿態控制系統，下端通過釋放模塊與原理樣機固結，運用曲柄滑塊原理實現對釋放模塊(即原理樣機)的鎖止釋放。曲柄滑塊機構適用于直線往復運動，鎖止與解鎖過程流暢，然而對耐磨性能要求較高，為此通過將導桿內側端面設計為半球形結構，使得解鎖釋放時順滑穩定、阻力小、可靠性高[13-14]。

f.高速攝像機。置于臺架系統下端的星表模擬板上，用于拍攝著陸器落震試驗全過程。

圖1 全工況落震試驗系統結構

2 全工況落震試驗方法

2.1 落震試驗系統工作原理

以某星表著陸緩沖裝置的落震試驗為研究對象，設計了全工況落震試驗系統工作流程，如圖2所示。

圖2 全工況落震試驗系統工作流程

2.2 落震試驗提升過程

本文設計的落震試驗系統原理樣機提升過程，包括以下4個操作步驟：

a.檢查各分系統狀態是否正常后，將釋放滑塊與原理樣機固結。

b.通過控制器發送固定頻率和帶寬的電脈沖信號1驅動連接于小齒輪上的電機1轉動，繼而小齒輪帶動大齒輪轉動完成傳動過程；再通過連接于大齒輪盤上的傳動桿帶動連接于釋放模塊的導桿向中心收縮并自動鎖止。

c.通過控制電動推桿中伸縮桿的長度，調節鎖止釋放系統的釋放姿態以及設定的水平或傾斜角度。

d.通過提升系統將水平框架系統提升到預定高度，高速攝像機開機開始錄像。

2.3 落震試驗落震過程

為了模擬星表著陸緩沖裝置落震姿態、下落速度和本體-星表有相對夾角等全工況落震試驗，還需要在釋放之前調整下落水平速度。控制器通過發出預定頻率的電脈沖信號2給驅動器,帶動水平框架系統上的電機2轉動，從而驅動水平滑塊以設定的速度沿著水平滑軌移動至合適位置。到達合適位置后，控制器發出高頻短時電脈沖信號3給驅動器，驅動鎖止釋放系統上的電機工作，帶動導桿向外滑出，解鎖釋放滑塊并按預定姿態釋放原理樣機，高速攝像機持續記錄數據。

3 落震試驗系統結構力學性能分析

為了驗證所設計的落震試驗系統是否滿足一定的強度和剛度要求，需要對水平框架系統進行結構力學性能校核。本文首先對水平框架系統上的主要器件進行選型，并計算極端工況的仿真參數，最后基于ABAQUS對落震試驗系統進行瞬態動力學仿真，驗證水平框架系統的強度和剛度。

3.1 水平框架系統選型

水平框架系統的工作原理是絲桿螺母系統驅動試驗樣機及姿態控制系統、鎖止釋放系統等在水平滑軌上水平移動。絲桿螺母系統包括伺服電機、減速器、聯軸器、絲桿、絲桿螺母和軸承支撐座等。其中需要重點選型的有伺服電機、減速器和絲桿，具體的選型如下：

a.絲桿選型。絲桿的直徑和螺距影響絲桿螺母及其連接各系統的水平移動速度，根據綜合試驗水平速度要求和電機參數，選取5050型絲桿，其直徑為50 mm、螺距為50 mm。

b.減速器選型。選用精密行星減速器60型，一級速比為2，質量0.9 kg。

c.伺服電機選型。電機主要參數有額定功率、額定轉速、額定轉矩和電機質量等。其中，電機轉速=絲桿螺母行走速度/螺距，試驗要求螺母行走速度最大值為1 m/s，絲桿螺距為5 mm，減速器低速輸出端轉速應大于1 200 r/min，電機轉速應大于2 400 r/min。綜合額定功率、額定轉矩和電機質量等參數，選用國邁130-15025AS4型伺服電機，其參數如表1所示。

表1 國邁130-15025AS4型伺服電機參數

3.2 極端工況仿真參數計算

水平框架系統在試驗中先后經歷載荷加速、勻速運動A和勻速運動B階段，3個階段水平框架系統都會受到豎直向下的壓力和水平方向的摩擦力，在每個階段受力大小不變，只有作用點的變化。本文所設計的水平框架系統下面懸掛的姿態控制系統、鎖止釋放系統質量總和約為117 kg，縮比原理樣機最大質量為55 kg。

本文定義的極端落震工況為考慮縮比原理樣機最大質量并在下落瞬間應具有1 m/s的水平速度。根據伺服電機參數和式(1)～式(3)，可以計算出在載荷加速階段時的加速度為20.9 m/s2、仿真時間為0.048 s。

絲桿對絲桿螺母的水平推力為

(1)

Q為水平推力；T為絲桿轉矩；φ為螺紋角；β為摩擦角；d為絲桿直徑。

載荷水平加速度為

(2)

μ為綜合摩擦系數，取0.1；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

載荷加速階段仿真時間為

(3)

3.3 落震試驗系統瞬態動力學分析

基于以上仿真參數計算，對仿真模型進行定義。如圖3所示，將懸掛的裝置和縮比原理樣機對水平框架系統的壓力和摩擦力均定義為“體力”；水平導軌與滑塊之間的接觸定義為“表面與表面接觸”，即切向無摩擦，法向為“硬接觸”；連接件不需校核其強度，采用“剛體”約束；相鄰兩零件間的連接采用“綁定”約束，并考慮實際連接情況，定義其“指定距離”。

圖3 模型相互作用關系定義

在ABAQUS中建立瞬態模型，并對模型進行網格劃分，除剛性體外的所有部件，均采用6面體網格劃分，網格密度在5～20 mm之間。

落震試驗系統應力云圖如圖4所示。由圖4a可知：整個仿真過程中最大應力為4.32×102MPa，出現在橫向方管支架與水平框架系統連接處，小于橫向方管的需用應力，水平框架系統結構強度滿足要求。由圖4b可知：除水平滑塊外，其他部件的最大變形為1.401 mm，出現在水平導軌與滑塊連接處，考慮到滑軌長度較長，該形變不會影響試驗精度，因此該形變量同樣滿足要求。

圖4 落震試驗系統應力云圖

4 結束語

本文設計的星表著陸緩沖裝置縮比樣機全工況落震試驗系統,能夠安全可靠地用于星表著陸緩沖裝置的地面落震試驗,并且準確地驗證其緩沖性能，滿足星表落震試驗對落震裝置的要求。在SolidWorks仿真平臺基礎上，建立了整套試驗系統的三維模型，并開發了配套的試驗方法；考慮縮比原理樣機最大質量和落震極端工況,在ABAQUS中運用有限元技術完成了試驗系統的結構力學性能分析，校核了其足夠的強度和剛度，驗證所設計的星表著陸緩沖裝置縮比樣機全工況落震試驗系統實際可行性與操作安全性，也為后續其他形式的地面落震試驗提供了理論依據。