腿式星球著陸器動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性研究.pdf

1、在國際新一輪空間探索中，登陸星體進(jìn)行探測(cè)開發(fā)成為一個(gè)重要趨勢(shì)。我國在“嫦娥”探月工程中，將于第二、三期開展月球軟著陸勘查以及采樣返回探測(cè)；載人登陸月球和火星也列入了空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。星球著陸器的成功軟著陸是登陸探測(cè)活動(dòng)成功的基礎(chǔ)?？烧归_的腿式軟著陸機(jī)構(gòu)是國際上多數(shù)星球著陸器上采用的一種適應(yīng)性較強(qiáng)的軟著陸機(jī)構(gòu)。從國內(nèi)外目前的研究情況看，對(duì)其基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和緩沖材料的研究雖然取得了一些成果，但對(duì)于軟著陸機(jī)構(gòu)展開、著陸器著陸過程中系統(tǒng)的動(dòng)

2、力學(xué)特性及穩(wěn)定性這些關(guān)系到著陸器工作狀態(tài)，影響任務(wù)順利完成的關(guān)鍵問題的研究還有所欠缺。在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“著陸探測(cè)器新型緩沖結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)方法及著陸穩(wěn)定性分析”支持下，本文從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性兩個(gè)方面對(duì)采用腿式軟著陸機(jī)構(gòu)的星球著陸器的軟著陸機(jī)構(gòu)展開過程和整體著陸過程進(jìn)行了研究，為著陸器基本構(gòu)型的設(shè)計(jì)以及主要參數(shù)的選取提供了依據(jù)，為我國星球著陸器的研制提供了理論基礎(chǔ)與支持。
　　首先，本文對(duì)目前腿式星球著陸器軟著陸機(jī)構(gòu)的應(yīng)

3、用與發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，提出了著陸器主體、著陸腿結(jié)構(gòu)和緩沖器的模塊化設(shè)計(jì)分析思路。闡明了著陸器在發(fā)射、在軌飛行、著陸和著陸后階段的動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容。根據(jù)著陸腿構(gòu)型對(duì)現(xiàn)有的主要腿式軟著陸機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分類。對(duì)進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性分析所涉及到的基本理論及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。
　　接下來，本文從動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性兩個(gè)方面對(duì)軟著陸機(jī)構(gòu)展開、著陸器著陸兩大過程進(jìn)行了研究。
　　對(duì)兩類典型的可展開式腿式軟著陸機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，比較了

4、兩類機(jī)構(gòu)的展開運(yùn)動(dòng)性能。首次應(yīng)用含有間隙的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立了軟著陸機(jī)構(gòu)展開過程中的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并建立了一型采用四支撐懸臂式軟著陸機(jī)構(gòu)的月球著陸器虛擬樣機(jī)模型。對(duì)軟著陸機(jī)構(gòu)展開過程進(jìn)行仿真分析，研究了支柱柔性、連接間隙、機(jī)構(gòu)展開驅(qū)動(dòng)力和著陸器總體自旋對(duì)展開過程的影響。
　　對(duì)腿式軟著陸機(jī)構(gòu)采用帶有末端質(zhì)量的外伸梁模型，研究了在著陸器基體受控，保持總體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的假設(shè)下，軟著陸支柱在其自身展開運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)大范圍旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

5、的穩(wěn)定性。在空間自由系統(tǒng)的假設(shè)下，研究了軟著陸機(jī)構(gòu)展開過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該模型與穩(wěn)定性分析方法也適用于其他具有類似結(jié)構(gòu)與構(gòu)件運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的航天器。
　　闡明了星球著陸器著陸過程動(dòng)力學(xué)建模的關(guān)鍵問題，基于第一類拉格朗日方程了建立星球著陸器軟著陸過程的動(dòng)力學(xué)模型。研究了著陸器基體、軟著陸機(jī)構(gòu)和星球表面環(huán)境三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)特性、描述方式、合理的基本假設(shè)以及在仿真軟件中的實(shí)現(xiàn)。提出了一種簡(jiǎn)便有效而切合實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的多級(jí)蜂窩緩沖器模擬方式。以某

6、型月球著陸器軟著陸機(jī)構(gòu)為例建立仿真模型，分析了著陸方位，支柱緩沖器特性和月球地形等條件對(duì)著陸過程沖擊加速度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響。
　　建立了著陸器著陸的靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)，并運(yùn)用其對(duì)三腿式和四腿式兩種構(gòu)型下結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究比較。以ZMP理論為基礎(chǔ)建立了著陸器著陸過程的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性判據(jù)，加入了對(duì)滑移與轉(zhuǎn)動(dòng)的補(bǔ)充限定。應(yīng)用彈簧阻尼模型研究了避免著陸反彈的條件。應(yīng)用伸縮倒立擺模型研究了不發(fā)生著陸傾翻所需滿足的初始條件并與總