星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 勝，賈 山，陳金寶，周向華，趙建華

（南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著嫦娥四號著陸器的成功著陸，我國探月工程三步走戰(zhàn)略即將成功收官。后續(xù)，我國將繼續(xù)實(shí)施探月四期、載人登月、火星探測、小行星探測和載人登火等多項(xiàng)深空探測任務(wù)［1-3］，其中，星表軟著陸機(jī)構(gòu)作為深空探測的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到相關(guān)任務(wù)的成敗［4-6］，因此，軟著陸裝置的研究對空間科學(xué)和星表探測技術(shù)的發(fā)展十分重要。在實(shí)際工程中，為了實(shí)現(xiàn)軟著陸機(jī)構(gòu)緩沖性能的可靠性評估，必須采取理論建模、數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)手段［7-10］，落震試驗(yàn)臺作為開展地面試驗(yàn)的核心裝置，具有極其重要的研究價(jià)值。

目前，國內(nèi)對可滿足多工況要求的星表著陸裝置落震試驗(yàn)臺的研究和應(yīng)用并不多，少量的幾例單腿落震試驗(yàn)臺并未針對星表著陸裝置對特殊工況的試驗(yàn)需求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，通用性也不足，尤其在樣機(jī)的提升和釋放方面存在操作不便、安全性較低、實(shí)驗(yàn)精度不足等技術(shù)缺陷。此外，現(xiàn)階段由高校主導(dǎo)研制并應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的星表軟著陸裝置地面試驗(yàn)系統(tǒng)還鮮有報(bào)道，這對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是不利的，不符合理論聯(lián)系實(shí)際的復(fù)合型人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢［11-12］。

本文設(shè)計(jì)了一種星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺，滿足以月球探測為代表的星表著陸緩沖裝置原理樣機(jī)在各典型工況下的地面單腿落震試驗(yàn)的要求。基于某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真結(jié)果，運(yùn)用有限元技術(shù)對該試驗(yàn)臺進(jìn)行了抗沖擊性能校核，驗(yàn)證了其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，保證了操作過程的安全性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得所設(shè)計(jì)的落震試驗(yàn)臺可兼顧高校的科研需求和學(xué)生的能力培養(yǎng)。

1 試驗(yàn)臺裝置結(jié)構(gòu)

圖1 為本文所設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺，由臺架系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、落震系統(tǒng)、載荷采集系統(tǒng)以及安保系統(tǒng)五部分組成。

（1）臺架系統(tǒng)。原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)會產(chǎn)生巨大的沖擊力，該沖擊力會直接作用于試驗(yàn)臺上，要求試驗(yàn)臺不僅要承受原理樣機(jī)本身的重力，還要承受原理樣機(jī)在落震過程中產(chǎn)生的巨大的過載慣性力，這要求所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺在體積受限的情況下，仍然要具備足夠的抵抗沖擊傾覆反力矩能力和避免過大撓度變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

（2）提升系統(tǒng)。采用電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—5005 型絲桿螺母的組合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)安裝臺架的提升，并可精確控制提升高度，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)觸地瞬間的速度要求。

（3）落震系統(tǒng)。包括通用滑軌臺架和自動(dòng)解鎖裝置，通用滑軌臺架能夠可方便地實(shí)現(xiàn)與滿足體積要求的多種著陸緩沖裝置的單腿樣機(jī)的機(jī)械連接；自動(dòng)解鎖裝置通過鎖止結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)與提升系統(tǒng)安裝臺架的鎖定和釋放，采用電動(dòng)動(dòng)推桿與重載滑輪副的組合方式，使解鎖過程更加流暢，避免對原理樣機(jī)自由下落運(yùn)動(dòng)的干擾。

圖1 星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)

（4）載荷采集系統(tǒng)。包括星表地面模擬裝置，反力檢測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)三個(gè)部分。星表地面模擬裝置能夠模擬落震試驗(yàn)要求的不同傾角地面，實(shí)現(xiàn)多種工況的落震試驗(yàn)；反力檢測使用六維力傳感器獲取原理樣機(jī)觸地后與地面的接觸力變化，通過數(shù)據(jù)采集可以實(shí)時(shí)獲得反力變化曲線；數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步后處理以獲得需要的數(shù)據(jù)類型［13］。

（5）安保系統(tǒng)。由機(jī)械安保和電器安保兩部分組成。機(jī)械方面主要采用機(jī)械限位的方式避免滑軌臺架超量程工作；電氣方面主要為當(dāng)接近開關(guān)檢測到滑軌臺架超量程后，立即控制電機(jī)抱閘以暫停整個(gè)試驗(yàn)臺的工作。

2 試驗(yàn)臺裝置工作方法

2.1 試驗(yàn)臺裝置工作原理

以某型探月著陸器原理樣機(jī)的落震試驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)對象，圖2 為本文設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺的工作流程。

圖2 試驗(yàn)臺裝置試驗(yàn)工作流程

2.2 試驗(yàn)提升過程

通過專門設(shè)計(jì)的工裝模型將某型探月著陸器的單腿原理樣機(jī)與試驗(yàn)臺裝置連接，檢查試驗(yàn)臺裝置狀態(tài)正常后，調(diào)整落震系統(tǒng)中的著陸支腿的著落姿態(tài)，固定該著陸姿態(tài)，將載荷采集系統(tǒng)固定在合適位置，采用鎖止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖：電推桿推動(dòng)半圓頭光軸使其與重載滑輪副貼合，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)與落震系統(tǒng)的銜接。通過提升系統(tǒng)將落震系統(tǒng)提升到所需預(yù)定高度，如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)落震過程

圖3 試驗(yàn)臺提升示意圖

為了精確模擬某型探月著陸器單腿原理樣機(jī)的落震試驗(yàn)過程，需要在通用滑軌臺架上方添加一定質(zhì)量的配重塊使落震系統(tǒng)總質(zhì)量達(dá)到原理樣機(jī)單腿落震要求的著陸質(zhì)量［14］，通過解鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)解鎖：電推桿推動(dòng)半圓頭光軸使其與重載滑輪副脫離，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)與落震系統(tǒng)的分離。落震系統(tǒng)在重力作用下沿著圓柱導(dǎo)軌自由下滑，使著陸支腿上的足墊與載荷采集系統(tǒng)中的測力平臺接觸來模擬探月著陸器與地面的碰撞過程，并記錄數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)臺落震示意圖

3 試驗(yàn)臺裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)會產(chǎn)生巨大的瞬間地面支反力，該力會以沖擊的形式直接作用于試驗(yàn)臺上，這要求試驗(yàn)臺具備足夠的抵抗沖擊傾覆反力矩能力和避免過大撓度變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，因此需要對試驗(yàn)臺裝置進(jìn)行抗沖擊性能校核。

3.1 某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺裝置滿足強(qiáng)度和剛度要求，需要獲取原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊力。如圖5 所示，將某型探月著陸器虛擬樣機(jī)導(dǎo)入Adams中進(jìn)行落震仿真，工況條件為：整機(jī)質(zhì)量為1.2 t，落地速度為4 m/s。

圖5 某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真示意圖

基于本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺裝置與專門設(shè)計(jì)的工裝：單腿原理樣機(jī)分別通過鉸接點(diǎn)1，2，3 和4 與試驗(yàn)臺裝置連接。因此，為了獲得試驗(yàn)臺裝置所受原理樣機(jī)在落震過程中產(chǎn)生的巨大的過載慣性力，需要得到虛擬樣機(jī)在落震仿真實(shí)驗(yàn)中4 個(gè)鉸接點(diǎn)位置所受沖擊力F的大小，圖6 為其受力示意圖。

圖6 鉸接點(diǎn)受力示意圖

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4 個(gè)鉸接點(diǎn)所受沖擊力的最大值分別為：11.388 182 4，14.226 457 2，8.528 460 4，5.822 797 9 kN。

3.2 試驗(yàn)臺裝置瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

探月著陸器虛擬樣機(jī)落震觸地瞬間屬于一個(gè)碰撞過程，因此需要運(yùn)用Ansys 中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊對試驗(yàn)臺裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，試驗(yàn)臺裝置有限元模型鉸接點(diǎn)所受沖擊力的大小分別為：12，15，9，6 kN。

（1）試驗(yàn)臺裝置有限元模型建立。使用Solidworks軟件建立試驗(yàn)臺裝置模型，將其導(dǎo)入Ansys中的Transient Structural 模塊中，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［15］，并輸入各個(gè)鉸接點(diǎn)位置所受沖擊力的大小，其有限元模型如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)臺裝置有限元模型圖

（2）計(jì)算結(jié)果分析。試驗(yàn)臺裝置有限元模型在上述仿真實(shí)驗(yàn)中得到?jīng)_擊載荷作用下，采用Ansys 求解對其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，其結(jié)果見圖8。

圖8 試驗(yàn)臺裝置應(yīng)力（a）、變形（b）和應(yīng)變（c）云圖

結(jié)果顯示：在沖擊過程中試驗(yàn)臺裝置達(dá)到的最大許用應(yīng)力為79.46 MPa，出現(xiàn)在通用滑軌臺架下方支架上，材料Q235 屈服極限為235 MPa，可知通用滑軌臺架強(qiáng)度滿足要求；臺架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大許用應(yīng)力為64.79 MPa，出現(xiàn)在圓柱導(dǎo)軌底部，材料45 號鋼屈服極限為355 MPa，可知圓柱導(dǎo)軌強(qiáng)度滿足要求，圓柱導(dǎo)軌最大變形為3.4 mm，由于圓柱導(dǎo)軌尺寸厚度較大，3.4 mm的變形不會對試驗(yàn)精度造成影響，所以圓柱導(dǎo)軌變形量同樣滿足要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺能夠安全地用于探月著陸器單腿的落震試驗(yàn)并準(zhǔn)確地驗(yàn)證其緩沖性能，彌補(bǔ)了目前國內(nèi)對小型化單腿落震試驗(yàn)臺的研究和應(yīng)用不足之處。在Solidworks仿真平臺基礎(chǔ)上，建立了整套試驗(yàn)臺裝置的三維模型，并基于某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真結(jié)果在Ansys中運(yùn)用有限元技術(shù)完成了試驗(yàn)臺裝置的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)性能分析，校核了其強(qiáng)度和剛度，證明所設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺符合要求，也為后續(xù)進(jìn)行其他形式的單腿落震試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

此外，該試驗(yàn)臺裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠提高學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生很好地在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)的同時(shí)學(xué)習(xí)有關(guān)著陸器緩沖方面的知識，為國家培養(yǎng)更多的航天人才。