月球着陆器着陆腿非线性有限元建模与仿真

为了准确地预测着陆冲击过程中着陆腿的载荷缓冲和吸能性能用于指导着陆缓冲机构的设计和优化,采用非线性有限元方法进行着陆冲击动力学仿真.建立了单腿着陆冲击有限元模型,采用ABAQUS/Explicit显式动力学程序作为求解器.为提高计算效率,采用了质量缩放技术.对2个单腿着陆冲击工况进行了动力学仿真分析,通过与试验数据的对比证明了分析结果的正确性.分析结果表明:非线性有限元模型可以综合考虑各种非线性因素的影响,能较准确地预测着陆腿着陆缓冲性能;着陆腿的弹性对套筒间的摩擦力有较大的影响,增大着陆腿刚度可以减小摩擦力.     

月球着陆器着陆安全分析方法

月球着陆器软着陆地点选择及安全着陆实现是探月二期的关键问题.采用不考虑着陆器着陆过程中发动机控制、着陆姿态控制和动力学性能,在计算机上依据低精度月面数据和已有月面典型地形特征分布/形状模型仿真生成高精度着陆区域;根据着陆器的结构尺寸和着陆安全要求对每个安全参数进行计算、比较、判断得到单次着陆安全性,利用蒙特卡洛方法计算多次在仿真地形上的着陆安全概率.试验结果表明:采用这种方法时,着陆器的结构尺寸相同分析结果才有意义.在计算机上仿真生成着陆区域、设置着陆器结构尺寸和安全参数,使其可以用于地面系统的仿真实验,也可在月面软着陆过程中实时分析选定区域的着陆安全概率.     

基于蒙特卡罗法的月球探测器着陆稳定性分析

为了验证月球探测器的软着陆性能,建立了月球探测器着陆过程多体动力学仿真分析模型.由于探测器着陆地点及初始着陆条件的不确定性,采用蒙特卡罗法对探测器的着陆稳定性进行了研究.为了提高蒙特卡罗模拟的效率,采用了基于均值估计相对误差的蒙特卡罗模拟终止准则,从而在保证精度的前提下减少计算成本.通过着陆仿真试验,获得了探测器在给定坡度的月面上着陆时,各着陆性能参数的分布均值、方差及相应的置信区间等统计学结果,并计算了探测器安全着陆的可靠度.     

深空探测返回舱着陆冲击动力学分析

为分析深空探测返回舱着陆冲击动力学问题,首先建立包括返回舱及着陆土壤在内的全柔体着陆冲击动力学分析模型,并利用"神舟号"载人飞船着陆冲击试验数据对土壤模型进行修正;然后利用非线性动力分析软件LS-DYNA对深空探测返回舱着陆冲击过程进行仿真分析。通过典型着陆工况计算,得到了返回舱着陆过程中姿态变化、应力分布、关键点加速度响应曲线及冲击能量分配等。仿真结果可为深空探测返回舱结构优化设计、着陆姿态选择及地面试验等研究提供参考。     

载人登月舱月面着陆缓冲装置设计与研制

基于着陆冲击动力学实现载人登月舱月面着陆缓冲装置的方案设计,并分别开展机构运动分析、振动响应分析和着陆冲击特性分析,对着陆缓冲装置进行了全面的仿真分析计算。在此基础上研制了全尺寸载人登月舱月面着陆缓冲装置原理样机,并结合分析优化结果进行了试验验证。该研究为研制大收拢比、大尺寸、大载重、低过载的载人登月舱月面着陆缓冲装置奠定了技术基础。     

火星着陆自主导航方案研究进展

火星着陆导航技术是火星着陆过程的核心技术之一。围绕火星着陆环境特点与导航技术遇到的挑战,分析了目前火星着陆过程的导航能力和自主导航的发展趋势,并针对火星着陆过程的特殊性和导航需求,概述了火星着陆过程各阶段自主导航方案的研究现状与进展。进而从导航方案设计与配置、导航模型建立与仿真、导航方案性能分析等方面,对自主导航方案的最新研究进展进行了分析,并在火星着陆全过程自主导航方案综合仿真的基础上,获得了满足火星定点着陆要求的各阶段交接点应满足的导航精度。最后,基于目前技术现状和发展趋势,提出了构建"递进式三阶段"火星着陆自主导航方案的设想,可为未来火星着陆自主导航方案的设计与论证提供参考。     

自动着陆精确轨迹跟踪控制

研究自动着陆过程中的非最小相位飞机对象的轨迹精确输出跟踪问题.分析了自动着陆过程的特点,采用稳定逆控制方法并结合反馈控制器设计了大型运输机的自动着陆控制律.稳定逆根据对象模型产生期望控制输入和期望状态轨迹,反馈控制器处理飞机对象参数不确定性及外界干扰.基于飞机对象的相对阶,设计了满足舒适性的光滑进场着陆期望轨迹.仿真结果表明,自动着陆控制律具有精确跟踪能力,自动着陆过程满足美国联邦航空局III类精密进场着陆要求,并且飞机内部动态稳定有界.     

基于μ综合方法的运输机纵向自动着陆控制律

研究运输机的自动着陆问题,分析了运输机自动着陆的过程与特点,采用结构奇异值μ综合的控制系统设计方法,设计了运输机的二级自动着陆控制律,实现对理想下滑线精确跟踪;并对系统的鲁棒性进行了分析.仿真结果表明,在存在飞机模型不确定性,测量噪声和外界阵风干扰的情况下,所设计的自动着陆控制律满足运输机的自动着陆要求.     

探测器安全着陆风险评估与敏感性分析

探测器安全着陆是行星探测的关键环节,而目前着陆成功率偏低,进行安全着陆风险研究有着非常现实的工程需求.为此,首先分析探测器结构与着陆方式,梳理行星表面影响安全着陆的主要因素,明确着陆安全判据,然后基于蒙特卡罗思想,模拟行星表面地貌和探测器着陆方式,给出了探测器在盲降下安全着陆概率估计的仿真方法.在此基础上,考虑探测器尺寸和着陆区域面积,对探测器安全着陆概率进行敏感性分析,结果表明探测器的尺寸对安全着陆概率有显著影响.      

光流控制地形跟随与自动着陆

将一种自研的光流传感器安装到飞行平台上,利用光流信息控制飞行器的地形跟随和自动着陆.测试了光流传感器的测量性能,建立了飞行器的运动模型,开发了基于光流反馈的地形跟随控制算法,提出了光流自动着陆的控制规律,并进行了数学仿真和硬件在回路的实时仿真验证,实验结果表明:光流信息可以一种相对简单的形式来巧妙地同时控制飞行速度和飞行高度,保证飞行器安全地执行多种飞行任务,实验证明了光流传感器在飞行控制中具有工程可行性.     

The effect of a rocky terrain for CubeSat landing on asteroid surfaces

The paper describes a general modelling procedure to build a simulation tool to investigate contact motion of a CubeSat on an asteroid surface. We investigate landing performance and landing success for the case of elastic rocky terrain and flat surfaces. As a case study, we focus on the disposal of ESA’s Hera Milani CubeSat by landing on the moon of Didymos binary asteroid system. The simulation environment includes the modelling of real shape and 6-DOF motion of the lander, the shape-based gravity models of Didymos and Dimorphos and rocks on surface, that are generated as physical obstacles. Trends and estimates on the performance of the landing phase and the most relevant effects on the outcome of the soil interaction process, are inferred. The statistical results on settling time, dispersion area and motion characteristics, such as number of bounces, show and quantify the effect of rocks on a successful passive and permanent landing.     

Single crater-aided inertial navigation for autonomous asteroid landing

In this paper, a novel crater-aided inertial navigation approach for autonomous asteroid landing mission is developed. It overcomes the major deficiencies of existing approaches in the literature, which mainly focuses on the case where craters are abundant in the camera field of view. As a result, traditional crater based methods require at least three craters to achieve crater matching, which limits their application in final landing phase where craters are scarce in the camera’s field of view. In contrast, the proposed algorithm enables single crater based crater matching based on a novel 2D-3D crater re-projection model. The re-projection model adopts inertial measurements as a reference, and re-projects the 3D crater model onto descent images to achieve the matching to its counterpart. An asteroid landing simulation toolbox is developed to validate the performance of the proposed approach. Through comparison with the state-of-the-art local image feature and crater based navigation algorithms, the proposed approach is validated to achieve a competitive performance in terms of feature matching and pose estimation accuracy with a much lighter computational cost.     

基于虚拟样机的飞机起落架着陆时的响应分析

通过建立弹性机体二质量块等效模型,联立飞机侧滑着陆时的补充方程,推导出起落架系统着陆动力学方程.结合建立的数学模型,利用虚拟样机技术,在ADAMS/Aircraft环境中建立具有弹性机体的飞机整机模型,模拟飞机在一点侧滑着陆时起落架系统的动态响应.仿真结果表明在一点侧滑着陆工况下,弹性机体能够增大回复滚转力矩,减小轮胎侧滑,使着陆飞机快速达到对称着陆状态.弹性机体能够吸收、耗散着陆时的冲击能,改善减震器性能,提高乘坐舒适性,为减轻起落架系统重量和进一步改进起落架系统奠定了基础.      

新型自适应起落架的单支腿落震性能研究

针对传统直升机起落架结构相对固定导致的地形适应能力不足的问题,设计了一种两级缓冲系统的新型缓冲作动行走一体化自适应起落架,实现了多工况下的着陆缓冲功能,常规着陆时磁流变缓冲器单独工作实现着陆缓冲功能,危险工况下磁流变缓冲器和油气缓冲器共同工作实现抗坠毁功能。在多体动力学软件LMS Virtual.Lab Motion中建立了带两级缓冲器的自适应起落架落震仿真模型。自适应起落架可以通过2个液压作动缸来调节不同姿态,进行了常规工况及耐坠毁工况的落震仿真分析,并根据仿真数据设计了缓冲器参数。在多种工况下进行了自适应起落架多级缓冲系统落震试验,对比分析了试验和仿真结果。结果表明,在2种着陆速度下,系统缓冲效率分别达到85%和75%,自适应起落架可以主动调节至多种姿态,并在各姿态下都具有良好的缓冲性能,还具备一定的抗坠毁能力。试验与仿真结果具有一致性,证明建立的自适应起落架的多体动力学模型能够有效地模拟落震过程。     

多因素影响下的起落架收放系统性能分析

起落架收放系统是集机、电、液的混合复杂系统,影响收放性能的因素也呈多样性.针对目前大多研究并未较好地将收放各部分系统综合考虑的研究现状,提出了一套结合理论分析、多学科仿真技术及试验验证的分析方法,为起落架收放系统提供了较准确的分析手段.首先采用功率键合图法详细地推导了起落架收放系统动力学方程;在理论模型的基础上,建立了结合起落架动力学和液压系统的多学科协同仿真模型,并用试验结果对虚拟样机模型进行验证;最后详细讨论了混合系统中各关键参数对起落架收放性能的影响.研究结果表明,联合仿真模型的压力曲线与试验实测数据吻合良好,同时侧风、摩擦阻力、阻尼孔、液弹、油液泄漏等关键参数对收放性能都有不同程度的影响,分析结果可用于指导起落架收放参数设计、收放故障分析及可靠性研究.      

碎石堆构造小行星表面地形分析与仿真验证

人类迄今对太阳系小天体开展的探测包括地基、天基远距离观测和"罗塞塔号""隼鸟号"等探测器的抵近观测、着陆取样等。对具有碎石堆构造特性的小行星表面地形特性进行研究,提出了一种生成小行星表面地形仿真模型的方法,建立石块生成模型,对影响地形构造的石块幂律分布规律进行实验模拟。根据小天体着陆段导航方法验证及表面操作执行机构验证需要,选择并仿真生成了5种典型地形。实验结果表明:按照本文方法生成的仿真地形与实际探测得到的小行星表面局部地形相比一致性较好,可用于近操作任务中的着陆机构验证和地形相对导航算法初步验证。     

触地关机模式下的着陆器软着陆稳定性研究

以触地关机软着陆模式下的某型着陆器为研究对象,建立其软着陆过程的动力学仿真模型。基于仿真模型,结合优化方法与多岛遗传算法（MIGA）确定了着陆器的极恶劣地形工况参数,并利用径向基函数（RBF）神经网络建立了反映极恶劣工况下着陆器速度参数与稳定性指标值之间映射关系的代理模型。将着陆器速度参数做离散化处理得到样本点,利用神经网络模型计算了各样本点对应的软着陆稳定性指标值,基于计算结果给出了各项软着陆稳定性指标的云图和三维速度稳定性边界,并得到了综合各项稳定性指标的着陆器速度稳定性边界。分析结果可直观地确定保证着陆器安全着陆的速度取值范围,为着陆器速度的合理控制提供参考。      

起落架缓冲器卡滞动态临界摩擦探究

为了探究起落架缓冲器卡滞特性设计准则,以某无人机主起落架为研究对象,依据飞机设计手册第14册中缓冲器卡滞特性分析方法,进行了静态和动态临界摩擦分析.分析表明动态临界摩擦在偏航着陆工况和机尾下沉回弹工况下可能发生卡滞.进而结合起落架落震动力响应曲线分析了动态临界摩擦的物理意义,发现现有飞机设计手册第14册中的动态临界摩擦分析方法卡滞判据并不成立,不应在计算临界摩擦系数时计入油液阻尼力.对于起落架缓冲器某状态时刻的卡滞特性分析,以飞机设计手册第14册中静态临界摩擦进行校核更为准确.