月球着陆器着陆过程动力学分析

以哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心研制的四腿桁架式月球着陆器样机为研究对象,通过简化模型,导出了着陆器着陆过程中各个着陆脚和着陆器质心在惯性坐标系中的位置坐标方程,以此位置坐标方程为依据得到了着陆器准静态稳定性条件.通过分析着陆器与月面着陆时瞬态动力学行为,得到了着陆器在此瞬态的各动力学参数的计算公式,以此为依据,并离散时间变量,给出了可以程序化实现整个动态着陆过程动力学模拟的计算过程,为进一步研究着陆过程动力学行为奠定了基础.      

月球着陆器模型参数修正

建立了着陆器的参数化模型,把着陆碰撞过程简化为弹簧阻尼模型,将其中的刚度、阻尼、非线性指数和最大穿透深度作为修正参数;定义了判断着陆器是否翻倒的着陆稳定性平面.基于地面稳定性试验结果,利用ADAMS和Isight软件联合仿真,采用优化拉丁方试验设计缩小修正参数范围.基于模型修正理论,采用自适应模拟退火算法进行模型参数修正,修正效果明显,修正后的仿真模型更符合实际试验样机.     

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

基于多工况的新型着陆器软着陆性能优化

以新型腿式着陆器为研究对象,建立其刚柔耦合动力学分析模型,实现着陆器软着陆过程的仿真。通过仿真计算,确定着陆器最易翻倒、底面最易与星球表面岩石碰撞、主体承受最大碰撞力的3组恶劣着陆工况。分析着陆器缓冲机构构型选取设计变量,基于仿真得到的3组恶劣工况,应用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现着陆器软着陆性能的优化,优化目标为增强着陆器抗翻倒能力、降低着陆器底面与星球表面岩石碰撞的可能性、降低着陆器主体最大受力值。将优化所得参数代入模型重新进行仿真,着陆器不再发生翻倒,着陆平台底面与星球表面最小距离提高4.2%,主体最大受力值降低12.1%。     

空间薄膜结构刚柔耦合非线性动力学分析

空间薄膜结构经历大范围刚体运动时,刚柔高度耦合的非线性动态响应极易发生,这将会降低结构几何精度,甚至影响设备正常工作.针对平面张拉式空间薄膜天线,建立了大范围运动的空间薄膜天线刚柔耦合非线性动力学有限元模型,描述了二阶效应与刚柔耦合效应对结构刚度特性、阻尼特性以及载荷的作用.通过对模型的数值解算,讨论了刚体运动规律(初...     

基于响应面法的月球着陆器软着陆性能优化

为了提高月球着陆器软着陆性能,建立了月球着陆器的多体动力学参数化模型.对某典型恶劣工况进行了优化拉丁超立方实验设计,辨识关键实验因子.利用参数化模型和实验设计获取样本点构造了响应面模型,并检验了响应面的拟合精度.以多个动力学性能作为优化目标,用响应面计算结果构造目标函数和约束条件,对响应面参数做多目标优化.将优化所得参数代入动力学模型中进行仿真,优化效果明显,验证了基于响应面法的软着陆性能优化方法的可行性,为今后的仿真实验提供参考.      

一类刚柔耦合非线性系统的动力学建模

用拉格朗日方程推导了带有大型天线的地球同步轨道卫星这一特定的刚柔耦合多体系统的动力学方程。因为考虑了星本体相对轨道坐标系的三维空间姿态运动、天线支撑臂的弹性运动以及天线对低轨道用户的跟踪指向运动 ,所得的动力学方程能更为全面地反映此类卫星的刚体运动与弹性体运动之间的耦合及其真实的动力学行为。根据此方程可以推出不同情况的简化方程。当需要对原系统进行振动分析时 ,可选用相应的简化结果 ,而不必重新进行繁琐的推导。该文所介绍的方法同样适用于一般刚柔耦合系统的动力学分析     

美月球着陆器样机试飞中坠毁

8月9日,美航宇局一个实验性“绿色”着陆器在其首次自由飞行试验过程中坠毁,并在落地时着火。这种无人着陆器称为“梦神”,有朝一日可用于向月球或太阳系其它星球运送有效载荷。试验在肯尼迪航天中心进行。着陆器几乎还未离地就倾倒,并发生爆炸。     

基于无源性的带液体晃动月球着陆器的姿态控制

针对带液体晃动的月球着陆器提出了一种基于无源性的姿态控制方法.分析了由拉格朗日力学建立数学模型的带液体晃动的月球着陆器系统的特性,并证明了该系统的无源性.无源性保证了系统的输入输出稳定性,提出的Lyapunov函数保证了系统的内部稳定性.根据系统的无源性和提出的Lya-punov函数推导出基于无源性的控制方法.仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果.     

着陆器软着陆机构的动力学分析

以某型号着陆器软着陆机构为研究对象,采用MSC.Patran/Nastran 对软着陆机构进行模态分析,得到结构模态的主要影响因素,主要包括机构尺寸和装配连接方式.主要分析了软着陆机构中主支柱、辅助支柱活塞杆和活塞筒壁厚、以及活塞筒端盖厚度对模态频率的影响,并对主支柱、辅助支柱活塞杆和活塞筒装配连接方式进行研究,接着提出一种基于Bush单元的装配连接方式,有效地解决了传统方法中用MPC(Multiple Point Constraint)刚性连接来模拟装配连接的不足,使仿真结果更加准确.最后对收拢状态下的模型进行了频率响应分析,结果发现在给定的频率范围内结构不会发生共振,进一步说明结构设计的合理性.     

月球软着陆动力学分析与仿真

以4腿式月球探测器为研究对象,分析了探测器的部件结构与物理属性、月球物理环境等综合因素.在探测器动力学研究中,提出了一种基于结构的分块参数化仿真方法,分析探测器着陆时的受力,建立着陆腿与足垫等关键部件的动力学模型,利用简化探测器结构,综合各部分模型.结合虚拟现实可视化仿真技术,实现月球软着陆过程仿真.通过仿真反映出月面坡度与着陆速度、刚度系数与阻尼系数等初始条件对软着陆效果的影响,验证方法的有效性.该方法已成功应用于登月工程研究.     

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.     

模块化月球表层采样力学模型

因不受作业空间的限制,月球表层采样机具设计形式多样,为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模,建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元,基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析,组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验,对理论模型进行了试验验证,通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式,将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行,为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。     

基于相似理论的月球车月面牵引性能预测

引入相似理论对月球车的轮土交互系统进行研究,建立了月壤-车轮交互系统的地面力学相似模型,针对原位月壤内聚力较小的特点,提出了一种无需改变车轮尺寸、以模拟月壤为土壤介质的模型试验方法,对月面重力环境下月球车轮的牵引性能进行预测.利用室内土槽试验和颗粒流仿真相结合的方法对该模型试验方法的有效性进行验证,验证结果与模型试验的理论分析结果较为接近,表明该法具有较好的可行性和有效性,可考虑用于预测月球车的月面牵引性能.     

月球探测器天文导航的遗传粒子滤波方法

天文导航系统是典型的非线性和噪声非高斯分布的系统.针对传统的扩展卡尔曼滤波不适于非线性和噪声非高斯分布的系统,和一般粒子滤波存在的粒子退化和采样枯竭问题,提出了一种基于遗传算法进行再采样的月球探测器自主天文导航粒子滤波新方法.计算机仿真结果显示了该方法可以有效的克服传统粒子滤波方法的缺点,提高天文导航系统的定位精度.      

载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析

对于载人地月转移任务,应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点,基于载人地月混合轨道,提出了3种一次脉冲的应急返回轨道,即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后,利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性,研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式,总结了3种应急模式的应用特点及优劣,可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。     

基于DE算法的共轴直升机模型辨识及精度分析

由于共轴直升机特有的旋翼布局引发了上下旋翼间强烈的气动干扰,采用传统的理论分析和风洞试验的方法难以获得适用于共轴直升机控制系统的飞行动力学模型.为此,设计了飞行扫频试验,根据飞行试验数据得到了悬停状态下包含共轴直升机飞行动力学模型耦合特性的非参数频率响应,运用仿生智能计算方法中的微分进化(DE,Differential Evolution)算法拟合频率响应建立了悬停状态下的共轴直升机状态空间模型.利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算,说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度.通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据的结果,说明辨识得到的模型能充分反映共轴直升机的飞行动力学特性,可用于飞行品质评估和飞控系统设计.