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.      

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.     

月球着陆器典型故障模式分析

为提高月球着陆器着陆可靠性,需识别潜在的故障模式对稳定性着陆带来的影响。建立了着陆器的动力学模型,给出了着陆器着陆时的七种极限工况,作为故障模式分析的基础;针对动力下降段三种典型故障模式,即主发动机延时关机、储箱残留液体着陆和触月信号延迟发出,建立与延时关机对应的上抛、平抛运动和数学关系,与残留液体着陆等效的单摆模型,施加触月信号延迟发出所产生的推力曲线,利用Adams软件进行动力学仿真;结果表明储箱残留液体着陆影响较小,另外两种故障模式使着陆时抗倾倒性能和缓冲性能恶化,增加着陆不稳定性。     

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.     

宽频角振动地面模拟试验设备的研制

为了解并减小探月着陆系统之敏感器容易受到宽频角振动影响的任务风险,有必要进行宽频角振动地面模拟试验。文章首先提出了宽频角振动的振动转换结构和测量方法,在此基础上完成了试验设备的研制,之后针对探月着陆系统成像敏感器遭遇的角振动环境进行了地面模拟测试。测试结果表明:该试验设备的宽频角振动模拟频率范围为0~2000 Hz,控制精度达到±15%（2σ）,同时还可模拟包括平移和转动在内的着陆系统刚体运动。该设备已用于敏感器在角振动环境下的地面模拟试验验证。     

月球探测器软着陆机构展开动力学仿真分析

可展开的软着陆机构是月球探测器的重要组成部分。以带间隙的多体系统动力学理论 为基础,针对一型采用四支撑悬臂式软着陆机构的月球探测器在ADAMS中建立了虚拟样机模 型,分别就主着陆腿系统结构柔性,主着陆腿与基体连接间隙,展开驱动力及探测器自旋等 因素对软着陆机构展开过程的影响进行了仿真分析。结果表明,在机构展开锁定瞬间由于结 构柔性会产生难以衰减的振动,而间隙在一定程度上有利于该振动衰减。展开驱动力越大, 展开越快,锁定激振振幅越大,但由展开进入稳定状态所需总时间可更短。探测器自旋则有 助于机构的展开,但自旋速度较高时对结构振动有明显影响。该结果可为软着陆机构展开方 案的设计提供帮助。
     

基于路标观测角的星际着陆器自主位姿确定技术

针对利用导航路标进行六自由度状态估计这一非线性、模糊性问题,对星际着陆器自主位姿确定技术进行了研究。为了减小算法的复杂性,提高求解精度,基于欧式变换下角度不变性,提出以导航路标观测视线之间所形成的夹角作为观测量,对像素观测方程中位置、姿态状态进行解耦求解。通过对观测矩阵的讨论,分析了导航路标空间分布对位姿确定精度的影响,给出了导航路标选取的最优观测方案。最后利用蒙特卡罗仿真对所提导航算法进行了验证,并对影响导航精度的各相关因素进行了分析。     

月球着陆器软着陆稳定性关键影响因素分析

为了得到四腿悬架式着陆器软着陆稳定性判据及提高其软着陆稳定性,建立了软着陆过程动力学模型,在此基础上提出了软着陆稳定性相关判断准则,并于ADAM S中建立着陆器及月壤的参数化模型。通过软着陆动力学仿真,重点分析了着陆速度、月面倾角以及偏航角等参数对软着陆稳定性的影响。研究结果表明,采用对称模式着陆,竖直着陆速度不大于4 m/s,水平着陆速度不大于1 m/s,能够确保着陆器安全稳定地着陆,若沿月表斜坡着陆,尽量沿上坡方向着陆,且月表斜面坡度不宜大于10°。     

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。     

Conceptual design and analysis of legged landers with orientation capability

The lander with orientation capability is of fundamental importance for the “Returning” mission because its body can be the base with a suitable launching angle for the ascender lifting off. This paper proposes the conceptual design and verification of Landers with Orientation Capability (LOCs). Firstly, the topological composition of the lander is analyzed and expressed in the form of Lie group, which provides the fundamental principle for the type synthesis of LOCs. Then, the type synthesis approach for designing LOCs is proposed, which includes designing the Equivalent Parallel Mechanism (EPM) and the auxiliary limbs. Numerous mechanisms of LOCs with two-dimensional rotational motions are obtained based on the type synthesis approach by developing and combining the EPMs and auxiliary limbs. Afterward, kinematics and Jacobian matrix of a typical legged lander are developed, the workspace is analyzed, singularity configurations are analyzed based on the wrench graph method, and finally, the orientation capability is analyzed. The pitch and yaw angle reach 17.5°, considering the permissible range of joints. The proposed types of LOCs offer potential candidate for the “Returning” mission of the exploration mission.