航天器着陆缓冲气囊技术发展

文章简述了航天器着陆缓冲气囊的吸能工作机理,介绍了它的优点和局限性,结合数十年来缓冲气囊在航天器上的主要应用情况,归纳了着陆缓冲气囊的三种类型,包括排气式、密闭式和组合式,其中排气式气囊由被动排气发展为主动精确可控排气,并介绍了缓冲气囊的几种拓展应用方向。针对航天器缓冲气囊技术的发展,文章对可靠充气技术、高性能气囊材料及结构成型技术、基于缓冲特性仿真的优化设计技术、缓冲过程精确控制技术以及大载重气囊试验技术等关键技术进行了论述。可以预见,航天器着陆缓冲气囊技术的深入研究对于载人航天、深空探测的发展将发挥更加重要的作用。     

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。     

返回器着陆缓冲技术途径综述

返回器在着陆或着水瞬间将受到一定的冲击载荷,为了保护宇航员及器上产品的安全,返回器需要具备着陆缓冲能力。文章对返回器当前主流的着陆缓冲方式进行了分析和比较,包括主结构着陆缓冲、海面溅落式缓冲、气囊式着陆缓冲、反推发动机着陆缓冲等,并对月地高速再入返回飞行器、MPCV和CST-100等典型返回器的着陆缓冲设计及验证进行了分析;另外,还对着陆腿式着陆缓冲、反向重构式着陆缓冲、充气隔热罩着陆缓冲等返回器新型着陆缓冲方式进行了详细介绍。对返回器的各种着陆缓冲方式进行了分析、归纳和比较,并根据分析结果给出了返回器着陆缓冲途径研究的启示与建议。     

气囊着陆缓冲系统的排气孔面积优化

文章以仿真分析为手段,研究了排气式气囊缓冲系统的着陆回收问题;讨论了均匀压力气囊模型的基本理论;建立了排气式气囊着陆缓冲系统的简化分析模型,包括回收舱模型和排气式气囊模型。采用响应面法得到了排气孔面积与回收舱重心处过载的关系,并通过仿真分析确认了优化分析结果的有效性。     

火星全向气囊的着陆缓冲特性研究

全向气囊是一种适应性较强的着陆缓冲装置,能在火星着陆过程中有效保护着陆器的安全。文章针对某一种全向气囊与着陆器构型方案,首先建立了气囊和着陆器结构的数学有限元模型,并对全向气囊的着陆缓冲过程进行了动力学仿真,获取重要结构部位的缓冲过载。其次利用全向气囊原理样机,按照仿真时的工况进行了投放试验,测量了相应结构部位的缓冲过载。研究结果表明,理论分析与试验结果基本一致,可为将来火星全向气囊的工程应用研究提供一定的参考。     

新飞船试验船气囊着陆缓冲系统特性研究

缓冲气囊是继着陆腿及反推发动机之外,另一种行之有效的着陆缓冲装置。新一代载人飞船采用群伞加缓冲气囊的无损回收方案,实现了其重复使用的目的。文章对新飞船试验船缓冲气囊的选型及参数的确定原则进行了分析,介绍了气囊着陆缓冲系统的设计状态、工作程序以及缓冲过程的排气控制策略。通过建立地面试验装置和测量系统,对缓冲气囊的性能进行了验证。结果表明:具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统缓冲过载达到预期,无侧翻和明显反弹,着陆稳定性满足要求。试验船缓冲气囊的设计理念和设计方法可以为其它大载荷航天器和大载荷空投着陆缓冲气囊的设计提供依据和参考。     

自落式缓冲气囊仿真研究

缓冲气囊被广泛应用于武器装备及物资空投、航天器着陆回收、汽车安全气囊等领域。设计具有优良缓冲性能的气囊系统可以减小物品或乘员所受的冲击力,最大程度上避免了物资的损坏和乘员伤亡。文章以某型空投缓冲系统所用气囊作为研究对象,运用LS-DYNA有限元仿真软件,采用控制体积法对该气囊缓冲过程进行了数值模拟计算,同时,结合工程计算与试验测试,合理确定气囊设计中关键技术状态,获得了带有辅囊的自落式缓冲气囊设计思路与方法,提高了研制品质,节省了研制成本与周期。     

气体参数对气囊缓冲特性的影响分析

缓冲气囊具有系统简单、质量轻、贮存体积小等优点,在航天器的返回回收与探测器的着陆缓冲中有较广泛的应用。美国的＂探路者＂、＂机遇号＂和＂勇气号＂火星探测器都采用了缓冲气囊系统作为其着陆缓冲装置。文章通过流体力学和热力学的理论推导,提出了可能会对气囊的着陆缓冲过程产生影响的气体参数,通过MSC Dytran软件仿真计算了不同气体参数下球形火星着陆缓冲气囊的缓冲过程,并分析了各参数对气囊缓冲特性的影响。研究结果可以为后续的气囊设计及试验提供帮助,并为中国下一步开展火星着陆探测任务提供一定的参考。     

新一代载人飞船返回舱着陆缓冲过程仿真研究

为了研究新一代载人飞船返回舱采用的组合式气囊的缓冲特性,文章采用控制体积法建立组合式气囊系统的有限元模型,运用显式有限元方法模拟返回舱着陆缓冲过程,通过返回舱–气囊系统跌落试验结果与仿真计算结果的对比,验证该有限元模型的可信性。结果表明,文章采用的方法可以有效模拟返回舱–气囊系统的缓冲过程,组合式气囊能够对返回舱起到较好的缓冲作用,有效降低了返回舱硬着陆的可能性。研究结果可为新型缓冲气囊系统的设计和改进优化提供理论及技术参考。     

某型无人机回收气囊缓冲性能试验研究

针对某型无人机全时段、全地形无损回收的要求,文章选用缓冲气囊的方式进行着陆回收。在前期理论研究及仿真分析基础上,通过搭建的试验平台系统对设计气囊进行投放试验,对影响气囊缓冲性能的着陆速度、排气口面积等因素进行分析,同时探究了不同地面条件对于气囊缓冲性能的影响。试验结果表明,气囊的内压峰值及最大过载与着陆速度成正比;根据仿真计算结果,选择了三组不同排气口径的气囊进行试验,并进行了分析。对于试验所选择的三组气囊,排气口直径80mm缓冲效果最好;不同地面环境对于气囊缓冲性能有一定影响,其影响程度取决于地面的力学特性,同样条件下较为松软的地面气囊缓冲性能更优。     

小型电子设备着陆缓冲气囊的缓冲性能分析

气囊作为一种重要的缓冲防护手段在航天和航空回收领域有着广泛的应用。文章针对一种新型分离式飞行数据记录系统中应急数据存储设备的着陆缓冲气囊,进行结构设计并利用LS-DYNA有限元分析软件进行仿真计算,模拟其在不同坠落姿态和不同坠落环境下的缓冲过程,明确该气囊的缓冲特性,并讨论了气室分布数和充气量对于气囊着陆缓冲性能的影响。计算结果表明:气室分布数和充气量的变化均会改变电子设备的冲击过载;基于所提出的小型电子设备过载要求,0.074kg充气量下的4个气室封闭式气囊结构对于多种工况均有较好的适应性。该研究可为航空航天用的轻小型设备缓冲气囊设计提供参考。     

排气式气囊最大过载特性研究

文章通过对排气式气囊进行数学建模,研究了排气式气囊的整个缓冲过程。并通过对模型的分析和对圆柱形排气式气囊的仿真计算,得到了圆柱形排气式气囊的尺寸、初始参数等因素与最大过载之间的关系。仿真结果对数学模型进行了很好的验证,可以为后续气囊的设计试验提供帮助,并为中国下一步开展月球及火星着陆探测等深空探测任务提供一定的参考。     

风场作用下囊舱组合体相对姿态仿真研究

对于使用缓冲气囊的返回舱,着陆姿态是影响返回舱实现预期缓冲效果的重要因素。在降落伞-返回舱组合体的降落过程中,返回舱的着陆姿态经常不理想,而加入气囊后降落伞-返回舱-气囊组合体相对于降落伞-返回舱组合体来讲着陆姿态更易受扰动,此时对囊舱组合体运动姿态的研究十分必要。为了研究风场对囊舱组合体运动姿态的影响,文章以带有自吸式气囊的回收系统作为研究对象,采用Hyperwork及LS_DYNA软件,对基于流固耦合方法气囊充气状态及囊舱组合体风场作用下的运动特性进行了分析,计算了不同工况下囊舱组合体的相对姿态,分析了可能影响囊舱组合体相对姿态的因素。结果表明,气囊内压与风速会对囊舱组合体的相对姿态产生不同程度的影响:风速越大气囊摆角越大;增加气囊内压会降低气囊的摆角,提高气囊的稳定性。     

月球着陆器着陆缓冲展开锁定机构设计与分析

月球着陆器着陆缓冲机构是月球着陆探测的关键部件,其展开锁定过程为一拓扑结构变化的过程。由于该过程较为复杂,研究方法多采用试验研究,而对于其内在运动特性分析不够深入。为了量化分析着陆缓冲机构展开锁定拓扑变化过程,评价设计的正确性,获得其运动过程中的机构运动特性,需要开展机构动力学分析。文章采用奇异性分析法,建立展开锁定机构拓扑图并进行了机构的奇异性分析,获得了该机构的奇异性,证明了设计的正确性。在此基础上,基于ADAMS软件建立了着陆缓冲机构虚拟样机模型,分析了整套机构的运动学特性,获得了展开过程相关运动参数,试验结果与分析结果一致。研究结果表明,该展开锁定机构展开过程平稳、无奇异点、可靠性高,研究结果可作为后续工程化参考。     

国外深空探测器着陆缓冲系统的特点和应用

主要介绍国外月球和行星探测器的着陆缓冲系统的特点与应用。着陆缓冲系统的基本类型包括软着陆机构、气囊缓冲装置和空中悬吊机结构。其中：软着陆机构由着陆架（腿）、缓冲器和展开锁定机构组成,具有质量较大,结构较简单、可靠的特点,在美国“勘测者”、“阿波罗”、“梦神”和苏联月球号等着陆器中得到了应用;气囊缓冲装置由气体发生器、气囊组件,以及缩回与展开机构组成,具有质量小、包装容积小和着陆稳定性好的特点,在美国“火星探路者”、“火星探测巡视器”,苏联早期月球号着陆器,以及欧洲“贝皮一哥伦布”水星探测器中得到了应用;空中悬吊机结构由空中悬吊机及其推进系统等组成,具有着陆速度低、冲击小和安全可靠的特点,在美国“火星科学实验室”的好奇心号巡视器上得到了应用。     

火星探路者的可膨胀气囊着陆系统综述

火星探路者的再入、下降和着陆系统包括一个独立的子系统—可膨胀气囊 ,用于着陆冲击缓冲。文章介绍了火星探路者可膨胀气囊的发展过程 ,包括 :材料的选择、形状的确定、制造的过程、部件的设计以及打包/展开等。     

基于主动排气气囊的着陆缓冲控制系统FPGA设计

主动排气气囊能够保证航天器着陆的稳定性,为了能够精准的控制多气囊差异式排气,文章介绍了一种能够实现该控制功能的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)软件系统,其运行于XQR2V1000-4BG575R FPGA上,能够实现对AD采样芯片TLC2543进行驱动和控制、多通道过载数据采集,基于串行滤波器的数据处理、分布式过载判断控制气囊排气等功能。该系统基于FPGA高速多任务并行处理与调度、实时处理多通道数据采集运算,解决了快速响应着陆缓冲控制问题,使着陆缓冲系统能够精确按照舱体实时过载进行差异式主动排气控制,以保证系统工作可靠性和航天器着陆稳定性。该设计通过了系统和专项试验验证,表明了基于主动排气气囊的着陆缓冲控制系统FPGA设计能够保证航天器以规定速度和过载安全着陆地面。     

火星探路者的可膨胀气囊着陆系统综述

火星探路者的再入、下降和着陆系统包括一个独立的子系统－可膨胀气囊，用于着陆冲击缓冲。文章介绍了火星探路者可膨胀气囊的发展过程，包括：材料的选择、形状的确定、制造的过程、部件的设计以及打包／展开等。     

一种用于垂直降落重复使用运载器的缓冲器性能分析

以对称分布四腿支柱式垂直降落重复使用运载器为研究对象,基于一种新型油液-蜂窝式多级缓冲器,建立了计及地面弹塑性变形的运载器软着陆过程动力学模型,并给出了运载器着陆时的五种临界着陆工况。以前四种着陆工况为基础对多级缓冲器进行了缓冲参数协调分析,在此基础上以翻倒极限着陆工况为基础重点研究了多级缓冲器缓冲参数对着陆稳定性能的影响。研究表明多级缓冲器中油孔面积、活塞杆直径和阻尼阀调节弹簧预紧力等油液缓冲参数对蜂窝压溃载荷的选取有着显著影响,同时以上参数的合理选择可以有效增加运载器的着陆稳定性能。     

智能气囊缓冲器在航天器回收着陆中的应用探讨

文章提出将智能气囊技术应用于飞船返回舱座椅作为返回落地缓冲,设计了智能气囊缓冲器方案,并论述了智能气囊缓冲器在飞船座椅上应用的可行性。与胀环式机械缓冲器比较,智能气囊保持了较高的缓冲效率,同时可使航天员受到的冲击过载特性曲线更加平坦,从而提高航天员着陆的安全性和舒适性。