黃偉

（北京空間機(jī)電研究所，北京100076）

1 引言

1969年7月，美國(guó)“阿波羅11號(hào)”飛船成功實(shí)現(xiàn)登月，人類首次踏上了月球。隨后，美國(guó)繼續(xù)開(kāi)展了多次載人登月活動(dòng)，獲得了大量的月球樣品和科學(xué)數(shù)據(jù)，人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)由此前進(jìn)了一大步，月球探測(cè)活動(dòng)取得了極大的成就。

對(duì)于每一次登月任務(wù)，登月艙的軟著陸支架無(wú)疑是最為關(guān)鍵的裝置之一。軟著陸支架能確保登月艙安全平穩(wěn)地降落在月球表面，宇航員得以順利出艙并進(jìn)行月面探測(cè)活動(dòng)。同時(shí)，軟著陸支架還起到月面上升器的發(fā)射架作用，保證航天員攜帶月球樣品可靠地由月面進(jìn)入環(huán)月軌道，最終安全返回地球家園[1-2]。

2 “阿波羅”登月艙軟著陸支架的指標(biāo)要求

2.1 著陸支架的結(jié)構(gòu)指標(biāo)

著陸時(shí)登月艙質(zhì)量為7 257kg；軟著陸支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)為 1.35；軟著陸支架相關(guān)接頭設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5。

軟著陸支架的質(zhì)量，見(jiàn)表1[3]。

表1 軟著陸支架質(zhì)量分布Tab.1 The mass distribution of thelanding gear subsystem

2.2 機(jī)構(gòu)的功能要求

軟著陸支架能夠收攏以適應(yīng)發(fā)射時(shí)安裝要求；在發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月軌道階段軟著陸支架呈收攏狀態(tài)，要求能夠可靠鎖定；軟著陸支架要求能夠通過(guò)宇航員觸發(fā)指令展開(kāi)，展開(kāi)到位后，艙內(nèi)儀表板上有顯示。

2.3 著陸狀態(tài)適應(yīng)性要求

通過(guò)軟著陸支架吸收登月艙著陸時(shí)的能量，減小沖擊過(guò)載，并確保登月艙不傾覆；著陸沖擊過(guò)載≤5gn；平均月面坡度≤6°；能適應(yīng)的有效坡度≤12°（包含月坑、突起和足墊下陷的影響）；著陸速度包絡(luò)，當(dāng)VV（垂直速度）≤2.1m/s時(shí)，VH（水平速度）=1.2m/s，當(dāng)2.1m/s≤VV≤3.1m/s時(shí)，VH=4.1m/s～1.33VVm/s；月壤承載強(qiáng)度，靜態(tài)壓強(qiáng)6.9kPa時(shí)，陷入深度不大于101.6mm，動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)82.7kPa時(shí)，深度不大于609.6mm；月面摩擦系數(shù)為0.4～1.0（注：事后飛行數(shù)據(jù)表明在0.4左右比較準(zhǔn)確）[4-6]。

3 “阿波羅”登月艙軟著陸支架構(gòu)型設(shè)計(jì)

月球著陸器軟著陸支架一般由3至5組著陸腿組成，每組著陸腿一般由3根支柱組成，1個(gè)主承力支柱，2個(gè)側(cè)向輔助支柱。支柱的組合方式主要有“倒三角”和“懸臂”兩種形式[3]。

“倒三角”組合形式是主支柱和2個(gè)輔助支柱在主支柱內(nèi)筒下端的足墊附近相連接，構(gòu)成三角錐桿系。“懸臂”組合形式是2個(gè)輔助支柱在主支柱外筒下端與主支柱連接，主支柱內(nèi)筒單獨(dú)與足墊相連，構(gòu)成“懸臂–斜撐”結(jié)構(gòu)。兩種構(gòu)型的示意對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 兩種不同的支柱構(gòu)型方式Fig.1 The two types of landing gear

早期，“阿波羅”登月艙外形為圓柱體形狀，并設(shè)計(jì)了5條支腿的軟著陸支架，構(gòu)型為“倒三角”式，不具備收攏、展開(kāi)功能，為固定式方案，見(jiàn)圖 2。對(duì)于圓柱體形狀的登月艙，在不考慮收攏展開(kāi)需求的情況下，經(jīng)過(guò)分析，使用5條支腿是綜合質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性等因素較優(yōu)的方案。

圖2 “阿波羅”早期5支腿“倒三角”式軟著陸支架Fig.2 The previous five-legged inverted-tripod-type landing gear of Apollo lunar module

由于,“阿波羅”登月艙主結(jié)構(gòu)由圓柱形改為了十字布局方案，不利于5支腿布置，使用4條支腿方案更為優(yōu)化。為了達(dá)到相近的著陸穩(wěn)定性，4支腿方案相比5支腿要求具備更大的展開(kāi)直徑?；谶\(yùn)載火箭包絡(luò)尺寸的限制，要求4支腿構(gòu)型的軟著陸支架具備收攏、展開(kāi)能力。經(jīng)過(guò)多方案比較后，“阿波羅”登月艙最終選用了4支腿、“懸臂”式構(gòu)型，見(jiàn)圖3。

圖3 “阿波羅”使用“懸臂”式構(gòu)型Fig.3 The cantilever type landing gear of Apollo lunar module

相對(duì)于“倒三角”構(gòu)型，“懸臂”式構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)為：由于輔助支柱與“倒三角”式相比，長(zhǎng)度大為縮短，所以“懸臂”式著陸腿的質(zhì)量更輕；“懸臂”式構(gòu)型中只有主支柱與足墊連接，故支柱與足墊的連接結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，并且避免了著陸緩沖時(shí)足墊運(yùn)動(dòng)與輔助支柱干涉的可能。

“阿波羅”登月艙在發(fā)射時(shí)，軟著陸支架呈收攏狀態(tài)，直到登月艙從環(huán)月軌道開(kāi)始進(jìn)入動(dòng)力下降段時(shí)展開(kāi)，其最大展開(kāi)尺寸約為9.45m，見(jiàn)圖4。

圖4 “阿波羅”登月艙軟著陸支架展開(kāi)狀態(tài)Fig.4 The Apollo lunar module w ith the landing gear deployed

4 軟著陸支架各部件的設(shè)計(jì)方案

4.1 主支柱

主支柱包含內(nèi)筒、外筒等零件，著陸時(shí)內(nèi)筒可在外筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，外筒上端通過(guò)萬(wàn)向接頭與登月艙主體結(jié)構(gòu)連接，內(nèi)筒下端通過(guò)球鉸接頭與足墊連接，主支柱內(nèi)部安裝兩級(jí)緩沖鋁蜂窩，緩沖前主支柱長(zhǎng)度約為3.1m。主支柱見(jiàn)圖5所示。主支柱材料使用超硬鋁合金制作（接近中國(guó)牌號(hào)7A09的材料），內(nèi)筒直徑約140mm，上下兩端進(jìn)行了加厚設(shè)計(jì)，下端球鉸連接的部位壁厚約3.8mm，上端與外筒交接的部位內(nèi)筒壁厚約6.5mm。外筒內(nèi)壁及內(nèi)筒外壁均涂覆二硫化鉬固體潤(rùn)滑涂層。主支柱的緩沖行程達(dá)到813mm，可以吸收的最大能量約28.7kJ[3]。

圖5 主支柱設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Landing-gear primary strut

4.2 輔助支柱

輔助支柱也包含內(nèi)筒、外筒等零件。外筒通過(guò)1個(gè)球鉸接頭與主支柱連接，內(nèi)筒通過(guò)1個(gè)萬(wàn)向接頭與展開(kāi)架連接。輔助支柱內(nèi)部安裝有緩沖鋁蜂窩，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具備拉、壓雙向的緩沖吸能功能，如圖6所示。緩沖前輔助支柱長(zhǎng)度約為 1.22m，使用硬鋁合金制作（中國(guó)牌號(hào) 2A12材料），其外筒直徑約為114mm，外筒壁厚0.69mm，內(nèi)筒壁厚0.84mm。在外筒開(kāi)口部位設(shè)置了1個(gè)長(zhǎng)度約為83mm、厚度約為0.4mm、由聚四氟乙烯材料制成的套筒，以作為對(duì)內(nèi)筒的支撐、并減小內(nèi)外筒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。內(nèi)筒開(kāi)口部位也設(shè)置有類似的支撐套筒。輔助支柱拉伸方向的吸能可達(dá)到約7.0kJ，壓縮方向的吸能可達(dá)到約 6.1kJ[3]。

圖6 輔助支柱設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Landing-gear secondary strut

4.3 足墊

足墊用于增大著陸腿與月面的接觸面積，使登月艙著陸能接觸到一定的月面，不受局部坑洞和巖石的影響。足墊由鋁合金外殼以及內(nèi)部的鋁蜂窩組成，直徑約 0.94m，厚度約 0.18m。著陸前，足墊由限制帶固定在主支柱上，防止足墊轉(zhuǎn)動(dòng)，觸地時(shí)限制帶被崩斷，從而解除了對(duì)足墊轉(zhuǎn)動(dòng)的約束，限制帶的拉斷力矩設(shè)計(jì)為約377N·m。足墊鋁合金外殼的上部厚度為0.2mm～1.3mm，下部厚度為0.2mm～0.4mm，材料為中國(guó)牌號(hào)2A12[8]。

4.4 展開(kāi)架

展開(kāi)架由十字形橫梁及4根側(cè)支桿組成。在軟著陸支架展開(kāi)狀態(tài)，展開(kāi)架用于支撐輔助支柱。同時(shí)，展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)安裝在展開(kāi)架上，展開(kāi)架在展開(kāi)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下由折疊逐漸展開(kāi)，最后由鎖定機(jī)構(gòu)固定住，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)著陸腿的展開(kāi)和鎖定功能。展開(kāi)架由超硬鋁合金制作，接近中國(guó)牌號(hào)7A04材料[8]。

4.5 收攏和釋放機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)運(yùn)載火箭的包絡(luò)尺寸，軟著陸支架發(fā)射時(shí)為收攏狀態(tài)，為此設(shè)計(jì)了兩種收攏釋放機(jī)構(gòu)，分別作用在著陸腿的主支柱和展開(kāi)架上。第一種收攏釋放機(jī)構(gòu)通過(guò)火工裝置切斷帶條形式實(shí)現(xiàn)。具體為，收攏狀態(tài)下，4組著陸腿的主支柱通過(guò)1根鈦合金帶條束縛固定。展開(kāi)時(shí)，由火工裝置切斷鈦合金帶條，4組著陸腿在各自的展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)作用下運(yùn)動(dòng)到展開(kāi)狀態(tài)并鎖定保持。第二種收攏釋放機(jī)構(gòu)為解鎖器的形式。具體為，在收攏狀態(tài)下，每個(gè)展開(kāi)架的側(cè)下支桿通過(guò)1個(gè)解鎖器與登月艙主體結(jié)構(gòu)連接，每個(gè)解鎖器施加約1 557N的束縛力。展開(kāi)時(shí)，解鎖器工作，解除展開(kāi)架和主體結(jié)構(gòu)的連接約束。解鎖器以及固定主支柱的鈦合金帶條共同作用的約 4 895N的束縛力一起確保了整個(gè)軟著陸支架能夠適應(yīng)發(fā)射、飛行過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊條件。著陸腿的收攏、展開(kāi)狀態(tài)如圖7所示[3]。

圖7 著陸腿收攏、展開(kāi)狀態(tài)示意Fig.7 Stowed and deployed positions of the landing gear

4.6 展開(kāi)、鎖定機(jī)構(gòu)

展開(kāi)、鎖定機(jī)構(gòu)執(zhí)行兩步動(dòng)作：通過(guò)操縱展開(kāi)架上的桿件系動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)著陸腿由收攏到展開(kāi)；當(dāng)主支柱展開(kāi)到位后，通過(guò)對(duì)展開(kāi)架的限位和固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)著陸腿的鎖定。著陸腿的展開(kāi)、鎖定過(guò)程見(jiàn)圖8所示[9]。

圖8 展開(kāi)、鎖定機(jī)構(gòu)及其展開(kāi)過(guò)程Fig.8 Deployment and downlock mechanism, and the deployment process

展開(kāi)機(jī)構(gòu)由蝸卷簧和驅(qū)動(dòng)連桿組成，蝸卷簧采用不銹鋼帶制成，表面有固體潤(rùn)滑涂層，驅(qū)動(dòng)連桿系分別連接到登月艙主體結(jié)構(gòu)和展開(kāi)架側(cè)下的方支桿，蝸卷簧一端連接驅(qū)動(dòng)連桿，另一端與安裝在主體結(jié)構(gòu)上的卷軸連接。在著陸腿收攏狀態(tài)，蝸卷簧呈拉伸狀態(tài)儲(chǔ)蓄能量。釋放后，蝸卷簧收縮并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿動(dòng)作，展開(kāi)架轉(zhuǎn)動(dòng)并展開(kāi)整個(gè)著陸腿。

鎖定結(jié)構(gòu)由彈簧作動(dòng)的鎖鉤、支撐凸輪等零件組成。當(dāng)著陸腿為收攏狀態(tài)時(shí)，鎖鉤上的圓銷位于凸輪上部，被凸輪限制了鎖鉤的運(yùn)動(dòng)，鎖鉤呈張開(kāi)狀態(tài)。著陸腿展開(kāi)時(shí)，凸輪旋轉(zhuǎn)，展開(kāi)到位后鎖鉤上的圓銷失去凸輪上表面的支撐，彈簧作動(dòng)筒即推著鎖鉤轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖鉤落下并鉤住展開(kāi)架側(cè)上方支桿端部的滾軸，從而鎖定整個(gè)機(jī)構(gòu)。

展開(kāi)架兩邊支桿均鎖定后，觸發(fā)登月艙內(nèi)的指示信號(hào)，表明著陸腿展開(kāi)鎖定動(dòng)作執(zhí)行完成。此外，在鎖定機(jī)構(gòu)的鎖鉤、展開(kāi)架上側(cè)桿端部等部位涂有紅色的條紋，如果著陸腿展開(kāi)鎖定工作正常，紅色條紋形成連續(xù)的直線，以此作為宇航員判斷軟著陸支架是否正常展開(kāi)的輔助手段[3]。

4.7 觸桿高度器

除了安裝宇航員進(jìn)出登月艙架梯的1條著陸腿之外，其余3組著陸腿上均在足墊下方安裝了1根長(zhǎng)度約為1.7m的觸桿高度器，用于感知著陸前登月艙離月面的高度，并指示宇航員及時(shí)關(guān)閉下降發(fā)動(dòng)機(jī)。觸桿高度器包括觸桿、展開(kāi)機(jī)構(gòu)以及電路開(kāi)關(guān)裝置。當(dāng)?shù)窃屡撝憰r(shí)，觸桿端部接觸月面，電路開(kāi)關(guān)裝置觸發(fā)，登月艙內(nèi)有2組藍(lán)色指示燈點(diǎn)亮。

觸桿使用2A12鋁合金制成，直徑約32mm，由活動(dòng)部件和固定部件兩部分通過(guò)鉸鏈連接，并通過(guò)和主支柱收攏、釋放裝置聯(lián)合作動(dòng)的彈簧鎖鉤裝置實(shí)現(xiàn)鎖定。在觸桿活動(dòng)部件和固定部件的結(jié)合部位繪制綠色線條，以作為判斷觸桿展開(kāi)鎖定到位的標(biāo)志。電路開(kāi)關(guān)裝置內(nèi)部安裝有并聯(lián)的 2組簧片動(dòng)作開(kāi)關(guān)，使得觸桿受到7kPa壓強(qiáng)即發(fā)出觸月信號(hào)。軟著陸支架3組著陸腿的觸桿高度器各自獨(dú)立，從而保證了觸月信號(hào)具備較高的可靠性[3]。

4.8 鋁蜂窩

“阿波羅”登月艙軟著陸支架的緩沖元件使用鋁蜂窩。鋁蜂窩具有較低的密度，較高的比模量、比強(qiáng)度以及優(yōu)良的耐熱性和抗腐蝕性。鋁蜂窩的緩沖性能具有各向異性、沿蜂窩芯子軸線方向的緩沖力非常穩(wěn)定，即其緩沖曲線具備“平臺(tái)”特性，承載能力基本維持在一定水平上作不大的波動(dòng)[7]。典型的壓縮前后的鋁蜂窩如圖9所示。

圖9 鋁蜂窩Fig.9 The honeycomb

“阿波羅”登月艙軟著陸支架共使用了5種規(guī)格的鋁蜂窩，其緩沖行程及緩沖力參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 “阿波羅”登月艙軟著陸支架緩沖元件性能參數(shù)Tab.2 Theperformance parameters of Apollo landing gear attenuation component

5 飛行試驗(yàn)結(jié)果

“阿波羅9號(hào)”、“阿波羅10號(hào)”驗(yàn)證了軟著陸支架在空間展開(kāi)鎖定的性能。在“阿波羅11號(hào)”飛行之前，對(duì)軟著陸支架進(jìn)行了大量的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是針對(duì)最終緩沖性能開(kāi)展了1/6尺寸模型的沖擊試驗(yàn)以及多次全尺寸模型在模擬1/6重力的斜面上的著陸緩沖及穩(wěn)定性試驗(yàn)，表明軟著陸支架的性能能夠滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求[5]。

在“阿波羅11號(hào)”落月時(shí)，登月艙的最終著陸速度很低，其垂直著陸速度約為0.5m/s，水平著陸速度約為0.6m/s。據(jù)宇航員報(bào)道，登月艙著陸時(shí)幾乎沒(méi)有搖晃不穩(wěn)的感覺(jué)。根據(jù)事后分析，軟著陸支架的主支柱發(fā)生的緩沖行程很小，4組著陸腿均在25mm以內(nèi)；輔助支柱基本發(fā)生的都是拉伸方向的緩沖，最大的行程為100mm左右；緩沖后登月艙底部的發(fā)動(dòng)機(jī)裙邊距月面高度約為343mm（如不發(fā)生緩沖，該距離為483mm）。后續(xù)的“阿波羅12號(hào)”“阿波羅14號(hào)”至“阿波羅17號(hào)”登月艙落月時(shí)軟著陸支架均未遇上苛刻的工況，工作均很正常，狀態(tài)良好[10]。

6 對(duì)我國(guó)載人登月軟著陸支架設(shè)計(jì)的建議

綜合上文所述，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

1）“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)考慮了月坡、月石、較大的著陸速度等惡劣工況，緩沖能力及著陸穩(wěn)定性具備較大的設(shè)計(jì)裕度，可靠性高。

2）設(shè)計(jì)采用4組“懸臂”式著陸腿、可收攏展開(kāi)的構(gòu)型，是充分考慮質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性、運(yùn)載器包絡(luò)要求、各種惡劣工況條件等因素的綜合優(yōu)化結(jié)果。

3）采用鋁蜂窩作為緩沖元件，其吸能效率高、質(zhì)量輕，對(duì)于一次性使用的登月艙軟著陸支架是較為有效、可靠且簡(jiǎn)單的方法。

4）采用彈簧驅(qū)動(dòng)方式的展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)，相對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、火工作動(dòng)等方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，且能夠相對(duì)獨(dú)立。其關(guān)鍵問(wèn)題是要解決機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，不能出現(xiàn)干涉和死點(diǎn)，必須保證機(jī)構(gòu)的重復(fù)運(yùn)行精度。

結(jié)合以上“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及其研制過(guò)程中的方案變更情況，對(duì)我國(guó)載人登月軟著陸支架設(shè)計(jì)提出以下建議：

1）載人登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)與無(wú)人登月情況有很大不同，必須結(jié)合載人登月艙的總體構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是選擇著陸腿數(shù)量、布局以及軟著陸支架構(gòu)型時(shí)，需結(jié)合登月艙的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析確定。

2）進(jìn)行載人登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)需要充分考慮各種因素的影響，包括月坡、月石、月壤等不同的月面環(huán)境，以及航天員的生理過(guò)載安全承受能力、登月艙的著陸速度包絡(luò)以及運(yùn)載火箭尺寸包絡(luò)等。

3）展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)、緩沖元件、主輔支柱等部件的設(shè)計(jì)是軟著陸支架的關(guān)鍵部分，有必要借鑒“阿波羅”登月艙軟著陸支架等成功經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)調(diào)研分析當(dāng)前相關(guān)材料等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行充分的方案論證和比較，即對(duì)于這些關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)需要從材料等基礎(chǔ)方面開(kāi)展深入研究。

4）確定載人登月軟著陸支架設(shè)計(jì)的最終狀態(tài)應(yīng)充分結(jié)合模擬月球環(huán)境下的載人登月月球軟著陸支架驗(yàn)證試驗(yàn)以及軟著陸支架緩沖過(guò)程的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性仿真分析。尤其對(duì)于載人登月艙，由于其質(zhì)量量級(jí)大，在地面進(jìn)行模擬月球環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施難度非常大且周期很長(zhǎng)，有必要開(kāi)展1/6尺寸模型的沖擊試驗(yàn)，以修正仿真模型，減少全尺寸試驗(yàn)的次數(shù)。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)考慮了月面環(huán)境、著陸速度、運(yùn)載包絡(luò)等多種因素，并是充分結(jié)合了登月艙總體結(jié)構(gòu)形式確定的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證的情況來(lái)看，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)是非常成功的，對(duì)于我國(guó)載人登月重大工程的方案論證值得仔細(xì)研究和借鑒。

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