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。     

临近空间载人舱着陆动力学及影响因素分析

为满足临近空间载人舱着陆缓冲装置可重复使用以及多着陆工况下能提供较好缓冲性能的要求，提出一种以双腔油气缓冲器为主支柱，单腔油气缓冲器为辅助支柱的新型着陆缓冲系统。针对舱体着陆过程，建立了考虑地面弹塑性变形的联合仿真动力学模型；通过与单腿着陆冲击试验的对比分析验证了所建动力学模型的有效性。在此基础上，研究了水平着陆速度，着陆俯仰角以及地面摩擦系数三种初始着陆条件对临近空间载人舱着陆性能的影响。研究结果表明：降低水平着陆速度可有效减小舱体水平着陆过载及提高着陆稳定性能；水平或小俯仰角着陆可使主、辅支柱的受载分配更加合理；减小足垫与地面间摩擦力可降低舱体竖直过载并提高着陆稳定性能。     

运载器着陆装置展开动力学及影响因素分析

以垂直起降重复使用运载器收放、锁定、缓冲一体化着陆装置及其气压驱动控制系统为研究对象,首先分析了着陆装置展开机构的运动奇异性,在此基础上,建立了展开机构动力学模型与气压驱动系统集中参数模型,将两模型相耦合从而构建了展开系统协同仿真分析模型,随后重点研究了运载器主体自旋角速度、垂向返回速度、减压阀调节压力以及支柱摩擦力对展开性能的影响。研究结果表明:运载器自旋角速度越大,产生的离心力越高,将导致支柱展开时间及各腔压力峰值减小;垂向着陆速度越高,引起的支柱气动阻力越大,将会大幅延长展开时间;减压阀调节压力的增加将缩短展开时间,但会引起各腔峰值压力上升;支柱摩擦力的增加将增大展开时间,但会减小锁定到位时间。     

月球探测器软着陆缓冲机构着陆性能分析

铝蜂窝缓冲器是月球探测器软着陆机构常用缓冲装置。首先针对简化 二级蜂窝缓冲装置在LS\|DYNA中进行着陆过程大变形模拟仿真分析;其次对探测器机体变 形对着陆性能的影响进行研究。研究结果表明探测器采用多级蜂窝缓冲装置,在着陆过程中 当第一级蜂窝材料完全压缩时,探测器加速度响应最大;由于探测器机体柔性变形改变了相 应连接约束的位置从而使着陆器着陆性能恶化。     

可重复使用新型着陆缓冲装置设计

着陆缓冲技术应用于各类飞行器着陆时吸收机械能,降低着陆冲击过载,最终使飞行器以一定的着陆姿态安全地着陆在星表。随着载人深空探测任务的深入,引发了一次任务多次着陆的需求,进而对着陆缓冲提出了的可重复使用的新要求。由此开展了一种新型油气式的可重复使用着陆缓冲装置研究,该装置可以兼顾地外天体着陆和地球返回着陆需求。文章首先详细介绍了该设计的组成及工作原理;随后分析了缓冲机理,对缓冲力的组成及计算表达进行了详细说明;基于多体动力学软件建立了多刚体系统动力学模型,在此基础上开展了5种典型工况的仿真分析和计算。经过计算,最大缓冲行程不大于0.3m,最大加速度过载不大于8gn,能够承受1m/s的水平速度。综上,该载人飞船着陆缓冲装置能够满足多次着陆缓冲及过载等要求,相关设计可以作为新一代载人飞船着陆缓冲设计的参考。     

可复用小型月表着陆器设计优化及仿真分析

针对传统着陆器缓冲装置无法复用的不足,提出了一种可重复使用的小型着陆器,通过各关节上的摩擦制动装置吸收着陆冲击能量,由电机及扭簧组件实现再次起飞后着陆腿的姿态恢复,可满足多点飞跃探测的月表探测任务。完成了一维落震中单套着陆腿在竖直方向上的缓冲吸能动力学分析;基于径向基(RBF)代理模型,面向三种典型着陆工况,采用多目标协同优化方法,对单套着陆腿各关节制动扭矩进行了优化,优化后的缓冲吸能关节可有效降低着陆器在落震过程中的加速度峰值。最后进行了整机多工况落震仿真分析,结果表明,各着陆响应均满足设计要求,也可保证良好的着陆过程稳定性,可为中国后续开展星表单次任务多点位探测提供一种可行的解决方案。     

基于多级铝蜂窝缓冲器的新型着陆器性能分析

在未来可行走探月着陆器的总体设计中,如何降低着陆过程中的冲击载荷,实现柔顺落震以保护本体结构和有效载荷的安全,是一项重要内容。本文基于所设计的可行走着陆器整机构型对缓冲驱动一体化缓冲器优化分析。首先,对3种不同规格的铝蜂窝材料分别进行静压力试验,利用试验数据和蜂窝有效吸能模型对多级铝蜂窝的搭配方式进行优化;然后,采用Ansys/Ls-dyna对优化后的三级铝蜂窝进行仿真和试验验证,与传统的两种铝蜂窝材料的缓冲器相比具有一定的柔顺性和安全性;最后,利用Adams软件进行整机仿真验证。验证结果显示:着陆器本体质心过载曲线平滑柔顺,可为我们后续开展的载人登月、月表基地建设等工程实施提供技术支撑。     

载人飞船两种垂挂转换方案载荷比较及分析

为了对新一代载人飞船转垂挂载荷进行深入研究,优化结构设计,文章首先建立了转垂挂过程的动力学模型,通过与空投试验结果比对验证了模型的正确性。在此基础上,针对标称工况、主伞阻力面积偏小工况、返回舱质量偏大工况,计算得到无阻尼缓冲装置和有阻尼缓冲装置两种转垂挂方案对应垂挂转换过程中垂挂吊带载荷及返回舱过载。结果表明:最小载荷出现在主伞阻力面积偏小工况下,最大载荷出现在返回舱质量偏大工况下;各种工况下,阻尼缓冲装置对降低垂挂转换过程中的过载能起到一定的效果;载荷越大的工况阻尼缓冲装置的缓冲效果越差。文章的建模方法和分析结果对新一代大载重载人飞船的论证有一定借鉴意义。     

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。     

硬式着陆器和半硬式着陆器

文章主要讨论了两种类型的着陆器，即硬式着陆器和半硬式着陆器。介绍了利用动态分析方法探究作用着陆器和平台上的冲击载荷及着陆缓冲装置的有效性的过程和结论，最后建议性的提出了着陆缓冲器的初样设计方案。     

仿猫月球着陆缓冲机构设计与缓冲特性研究

针对现有被动式铝蜂窝月球着陆器缓冲力波动大、无法重复使用的问题,提出一种基于磁流变缓冲器的仿猫月球着陆缓冲机构。首先,开展了不同高度平台的家猫跳落实验,对其跳落着陆姿态与前/后腿触地冲量进行了分析,探究其缓冲吸能机理;实验结果表明猫后腿的缓冲吸能占比更高。其次,结合猫跳落实验与中国嫦娥系列月球着陆器参数,设计了一种新构型仿猫着陆缓冲机构,并将其与嫦娥着陆器进行了仿真分析对比。结果表明,所提出的仿猫月球着陆缓冲机构,其机体最大加速度降低了18.3%,具有更为出色的着陆性能。其前腿缓冲吸能贡献约为40%,后腿的缓冲贡献度约为60%,与家猫高台跳落实验结果基本吻合,验证了仿猫月球着陆缓冲机构设计方案的合理性。     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹快速、高精度优化

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题，提出一种基于稀疏差分法和网格细化技术的快速、高精度求解方法。该方法应用局部配点法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划(NLP)问题，从两方面提高轨迹优化的效率和精度。一方面，引入一种高效的稀疏差分法计算NLP的一阶偏导数，提高NLP的求解效率；另一方面，提出一种基于新型广义二分网格的网格细化算法调整离散节点的数量和分布，使得方法能够采用较少的节点数目取得较高的优化精度，从而减小NLP的规模和计算量。应用该方法求解了高超声速滑翔再入轨迹优化问题，仿真结果表明所述方法能够快速生成一条严格满足各种约束的最优三维再入轨迹。在此基础上，研究了滑翔飞行器的再入落点区范围，进一步检验了该方法的有效性。     

基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

为保证系留气球平台在空投着陆中的安全,必须对其中的压力气瓶进行缓冲分析与实验。文章采用蜂窝纸板作为气瓶缓冲材料,采用LS-DYNA软件,并依据蜂窝纸板实际参数处理材料模型,仿真分析了在不同蜂窝纸板厚度、不同跌落速度和不同着陆姿态下的缓冲过程。根据仿真结果,设计了蜂窝纸板缓冲结构和加速度检测模块,采用吊车起吊跌落进行了实验验证。仿真分析和实验结果均表明,蜂窝纸板厚度为500mm,跌落速度低于10m/s时,气瓶缓冲后加速度低于20gn,可满足空投着陆应用要求。文章基于LS-DYNA的蜂窝纸板缓冲有限元分析是可行的,研究结果对于气瓶类装备的着陆缓冲结构设计有参考价值。     

Study on passive momentum exchange landing gear using two-dimensional analysis

This paper discusses a landing response control system based on the momentum exchange principle for planetary exploration spacecraft. In the past, landing gear systems with cantilever designs that incorporate honeycomb materials to dissipate shock energy through plastic deformation have been used, but once tested before launch, the system cannot be used in a real mission. The sky crane system used for the Mars Science Laboratory by NASA can achieve a safe and precise landing, but it is highly complex. This paper introduces a momentum exchange impact damper (MEID) that absorbs the controlled object׳s momentum with extra masses called damper masses. The MEID is reusable, which makes it easy to ensure the landing gear׳s reliability. In this system, only passive elements such as springs are needed. A single-axis (SA) model has already been used to verify the effectiveness of MEIDs through simulations and experiments measuring the rebound height of the spacecraft. However, the SA model cannot address the rotational motion and tipping of the spacecraft. This paper presents a two-landing-gear-system (TLGS) model in which multiple MEIDs are equipped for two-dimensional analysis. Unlike in the authors׳ previous studies, in this study each MEID is launched when the corresponding landing gear lands and the MEIDs do not contain active actuators. This mechanism can be used to realize advanced control specifications, and it is simply compared with previous mechanisms including actuators, in which all of the MEIDs are launched simultaneously. If each MEID works when the corresponding gear lands, the rebound height of each gear can be minimized, and tipping can be prevented, as demonstrated by the results of our simulations.     

月球探测器软着陆机构着陆腿模型与仿真分析

给出了着陆动力学分析的数学模型,并在分析铝蜂窝材料缓冲特性的基础上,建立了 铝蜂窝缓冲器模型,将其应用于软着陆机构单条着陆腿冲击仿真。仿真结果表明,该模型在 缓冲行程、能量吸收及缓冲后加速度响应峰值等方面与试验结果基本一致。为软着陆机构着 陆冲击动力学分析时铝蜂窝建模提供参考。     

序列凸优化的小天体附着轨迹优化

针对小天体附着多约束轨迹优化问题，提出一种基于序列凸优化的轨迹优化方法。首先采用内球谐引力场模型对目标小天体附近的不规则引力场进行精确建模，内球谐引力场模型是对经典球谐系数法的改进，形式简单，计算量小，并且克服了经典球谐系数模型在形状不规则的小天体附近不收敛的问题。对于小天体附着多约束轨迹优化问题，通过约束松弛、线性化、离散化过程，转化为一个可以迭代求解的二阶锥规划问题（SOCP），进而采用内点法进行解算。数学仿真结果显示，优化结果符合各项约束条件，以零速度到达了目标着陆点，且符合燃耗最优的优化目标。利用序列凸优化算法进行小天体附着燃耗最优轨迹设计，推导简便，计算速度快，精度高，具有应用价值。     

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

可重复使用运载火箭着陆支腿总体布局与关键参数优化

通过对着陆支腿数量和构型进行对比仿真分析,提出了可重复使用运载火箭着陆支腿的总体布局方案,同时建立了着陆支腿参数化仿真模型,将着陆支腿的关键几何参数作为决策变量,基于多体动力学仿真软件开展着陆稳定性仿真分析,以提高着陆稳定性、降低运载火箭返回级受到的着陆过载系数及支腿轻量化为优化目标,对着陆支腿关键几何参数进行优化和确定。仿真结果表明,优化结果能够满足工程使用需要,可以为可重复使用运载火箭着陆支腿总体方案设计提供参考。