腿式星球著陸器動力學與穩(wěn)定性研究.pdf

1、在國際新一輪空間探索中，登陸星體進行探測開發(fā)成為一個重要趨勢。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；載人登陸月球和火星也列入了空間科學發(fā)展戰(zhàn)略目標。星球著陸器的成功軟著陸是登陸探測活動成功的基礎(chǔ)。可展開的腿式軟著陸機構(gòu)是國際上多數(shù)星球著陸器上采用的一種適應性較強的軟著陸機構(gòu)。從國內(nèi)外目前的研究情況看，對其基本結(jié)構(gòu)的設計和緩沖材料的研究雖然取得了一些成果，但對于軟著陸機構(gòu)展開、著陸器著陸過程中系統(tǒng)的動

2、力學特性及穩(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。在國家自然科學基金項目“著陸探測器新型緩沖結(jié)構(gòu)智能設計方法及著陸穩(wěn)定性分析”支持下，本文從系統(tǒng)動力學特性和運動穩(wěn)定性兩個方面對采用腿式軟著陸機構(gòu)的星球著陸器的軟著陸機構(gòu)展開過程和整體著陸過程進行了研究，為著陸器基本構(gòu)型的設計以及主要參數(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，本文對目前腿式星球著陸器軟著陸機構(gòu)的應

3、用與發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(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計分析思路。闡明了著陸器在發(fā)射、在軌飛行、著陸和著陸后階段的動力學研究內(nèi)容。根據(jù)著陸腿構(gòu)型對現(xiàn)有的主要腿式軟著陸機構(gòu)進行了分類。對進行相關(guān)動力學與穩(wěn)定性分析所涉及到的基本理論及研究現(xiàn)狀進行了綜述。
　　接下來，本文從動力學特性和運動穩(wěn)定性兩個方面對軟著陸機構(gòu)展開、著陸器著陸兩大過程進行了研究。
　　對兩類典型的可展開式腿式軟著陸機構(gòu)進行了運動學分析，比較了

4、兩類機構(gòu)的展開運動性能。首次應用含有間隙的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動力學理論建立了軟著陸機構(gòu)展開過程中的系統(tǒng)動力學模型并建立了一型采用四支撐懸臂式軟著陸機構(gòu)的月球著陸器虛擬樣機模型。對軟著陸機構(gòu)展開過程進行仿真分析，研究了支柱柔性、連接間隙、機構(gòu)展開驅(qū)動力和著陸器總體自旋對展開過程的影響。
　　對腿式軟著陸機構(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，保持總體運動狀態(tài)不變的假設下，軟著陸支柱在其自身展開運動平面內(nèi)大范圍旋轉(zhuǎn)運動

5、的穩(wěn)定性。在空間自由系統(tǒng)的假設下，研究了軟著陸機構(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)件運動特點的航天器。
　　闡明了星球著陸器著陸過程動力學建模的關(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力學模型。研究了著陸器基體、軟著陸機構(gòu)和星球表面環(huán)境三個部分的結(jié)構(gòu)特性、描述方式、合理的基本假設以及在仿真軟件中的實現(xiàn)。提出了一種簡便有效而切合實際結(jié)構(gòu)特點的多級蜂窩緩沖器模擬方式。以某

6、型月球著陸器軟著陸機構(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著陸過程沖擊加速度和運動狀態(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)，并運用其對三腿式和四腿式兩種構(gòu)型下結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜態(tài)穩(wěn)定性的影響進行了研究比較。以ZMP理論為基礎(chǔ)建立了著陸器著陸過程的實時穩(wěn)定性判據(jù)，加入了對滑移與轉(zhuǎn)動的補充限定。應用彈簧阻尼模型研究了避免著陸反彈的條件。應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