高潔 趙會光 劉欣

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地外探測取樣容器再入過程動力學(xué)建模及仿真分析

高潔 趙會光 劉欣

（中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

無人取樣返回是開展地外星體探測的重要手段之一，也是深入開展未知星體載人著陸探測的必要準(zhǔn)備。取樣返回飛行器基于不同的技術(shù)基礎(chǔ)及返回技術(shù)發(fā)展需求，在再入大氣過程中可能采用不同的返回方式，如美國、蘇聯(lián)/俄羅斯和日本的返回飛行器均采用了彈道式的返回方式；中國探月三期的月球取樣返回器采用了跳躍式返回方式。在不同的再入彈道情況下，取樣容器的受力情況有所不同。由于地外星體取樣返回是我國首次開展的一項工程實踐，所以尚未有針對該問題開展專項的動力學(xué)建模及相應(yīng)的仿真分析。文章對樣品容器在返回過程中的力學(xué)環(huán)境進行建模，分別沿軸向和法向建立樣品容器的動力學(xué)模型，以典型再入彈道條件下樣品容器的受力情況為研究對象，對樣品容器準(zhǔn)靜態(tài)和考慮動態(tài)振動環(huán)境條件下的受力情況及運動進行分析，獲得樣品容器在返回過程中的動力學(xué)特性，為取樣返回容器的設(shè)計提供參考。

準(zhǔn)靜態(tài) 動態(tài)振動 取樣容器 返回過程 動力學(xué) 地外探測

0 引言

20世紀(jì)70年代，當(dāng)時的蘇聯(lián)在月球（Luna）系列探測任務(wù)中進行了3次無人自主月球土壤取樣與返回任務(wù)[1-2]。20世紀(jì)之后，日本在地外天體取樣研究中進行了成功實踐，2003年5月9日，日本隼鳥號探測器對絲川小行星進行探測[3-4]，2010年6月13日探測器完成取樣任務(wù)并成功返回。2009年，美國NASA和歐空局（ESA）聯(lián)合發(fā)布探測火星計劃，規(guī)劃于2018年發(fā)射“火星取樣返回任務(wù)”，最終目的是在2020年前后實現(xiàn)火星采樣返回[5-8]。我國以月球探測為起點，有序規(guī)劃并開展了“繞、落、回”的三步探測思路，目前已經(jīng)成功完成了繞月、落月的工程研制，現(xiàn)正在開展取樣返回任務(wù)的工程研制[9-10]；此外，火星著陸探測任務(wù)也已經(jīng)立項研制，后續(xù)隨著地外星體探測的發(fā)展，進一步開展火星及其他星體的取樣返回研究將是未來空間探測的必由之路。本文以取樣容器在再入大氣過程中的受力情況為研究對象，對樣品容器再入飛行過程進行動力學(xué)建模，并基于此開展仿真分析，獲得其在準(zhǔn)靜態(tài)和考慮動態(tài)振動條件下的受力和運動情況，為取樣容器的方案設(shè)計提供依據(jù)。同時，為樣品容器鎖緊機構(gòu)存在故障情況下，樣品的狀態(tài)分析和運輸可靠性確認提供參考。

1 樣品容器再入大氣飛行過程動力學(xué)建模

本文以樣品容器為研究對象，根據(jù)樣品容器與取樣返回飛行器（簡稱飛行器）的位置約束關(guān)系以及樣品容器的受力情況進行動力學(xué)建模。

1.1 坐標(biāo)系定義

樣品容器運動坐標(biāo)系：以樣品容器質(zhì)心作為坐標(biāo)原點，沿飛行器縱軸方向為軸，在飛行器縱對稱平面內(nèi)，垂直于縱軸方向為軸，軸滿足右手定則。

飛行器沿軸的運動主要為零側(cè)滑角附近的振蕩，與樣品容器沿軸方向的運動相似，所以本文主要對主對稱面內(nèi)樣品容器的運動進行研究。分別定義沿軸方向的運動為軸向運動；沿軸方向的運動為法向運動。取樣容器與飛行器的位置及運動方向如圖1所示。

1.2 動力學(xué)建模

以樣品容器為研究對象進行動力學(xué)建模。樣品容器在再入過程中受到重力和飛行器艙壁的接觸力作用；在進行受力分析時，認為樣品容器在再入過程中的飛行軌跡瞬時與飛行器相同。分別沿返回器軸向和法向進行受力分析[11-17]。動力學(xué)模型如下。

式中n為地球重力加速度；為樣品質(zhì)量；A為樣品容器沿軸向加速度；N為樣品容器沿法向加速度；VA為速度大小變化對應(yīng)的加速度；VN為速度方向變化對應(yīng)的加速度；N為飛行器艙壁對樣品容器沿法向作用力分量；A為飛行器艙壁對樣品容器沿軸向作用力分量；為飛行路徑角，為速度與水平面的夾角；為飛行攻角，為飛行器速度軸與體軸夾角。

速度大小和方向變化對應(yīng)的加速度VA和VN由再入飛行彈道確定。

樣品容器在再入飛行過程中的受力情況如圖2所示。

1.3 運動學(xué)建模

定義樣品容器縱軸與飛行器縱軸重合時法向位移為0，樣品容器沿軸向前壁面與飛行器艙壁接觸時軸向位移為0。分別用A和N表示樣品容器與飛行器艙壁沿軸向和法向的位移。其中，A0和N0表示相應(yīng)方向的初始位移，Amax和Nmax表示相應(yīng)方向的最大位移。表示時間，A0和N0表示樣品容器相對于飛行器艙壁的軸向和法向初始運行速度。

根據(jù)空間位置約束關(guān)系，建立樣品容器的位移約束模型：

2 典型再入彈道情況下樣品容器受力情況仿真分析

本文以阿波羅6號返回艙跳躍式再入大氣飛行過程彈道為例，對該彈道條件下樣品容器的受力情況開展仿真分析?！鞍⒉_6號”返回艙相對于地球以10.01km/s的速度進入地球大氣，再入角約為–5.89°，硬著陸彈道相應(yīng)的飛行時間約為750s[18-20]。返回飛行彈道如圖3所示。

返回艙再入飛行過程攻角為–23°,假設(shè)飛行器留給樣品容器的空間，保證樣品容器的法向位移Amax≤25mm，軸向位移Nmax≤10mm。

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)情況樣品容器的受力及位移情況分析

僅考慮飛行器再入過程中靜態(tài)載荷作用時，對典型再入情況對應(yīng)的樣品容器的軸向、法向的受力和位移情況進行分析。本中分析結(jié)果中，軸向力和法向力均以作用力相對于地球萬有引力系數(shù)的比值表示，相當(dāng)于過載的概念。圖4給出了樣品容器在“阿波羅6號”返回艙再入彈道條件下的受力分析結(jié)果。

從上面的分析可知，在返回飛行過程中，樣品容器在沿體軸和法向均受飛行器艙壁作用，并且與飛行航跡相關(guān)，有大小和正負的變化，具體特點可概括為以下幾點：

1）飛行器艙壁對樣品容器軸向/法向作用力變化趨勢與飛行器再入大氣飛行過程的過載變化趨勢一致，在氣動過載達到峰值時，軸向/法向作用力也達到最大（絕對值）；

2）飛行器艙壁對樣品容器的法向作用力沿再入彈道有正有負。在剛進入大氣邊界和跳出大氣層飛行段（>80km），飛行器艙壁對樣品容器的法向力為較小的正值，即樣品容器與飛行器下艙壁面有接觸；初次再入飛行段和二次再入飛行段樣品容器受到的作用力為負，即樣品容器與飛行器上艙壁面接觸；

3）僅考慮靜態(tài)載荷作用時，飛行器艙壁對樣品容器的軸向作用力沿再入彈道始終為負。在跳出大氣飛行段（>80km），軸向作用力是絕對值很小的負值。

2.2 考慮動態(tài)振動環(huán)境條件的力及位移情況分析

本文主要針對于樣品容器在基本方案設(shè)計和容器鎖緊機構(gòu)發(fā)生故障情況下的運輸可靠性進行分析，所以僅考慮樣正、負向常值振動載荷。假設(shè)傳遞至樣品容器的過載大小分為–8n和8n。

2.2.1 軸向負向動態(tài)振動環(huán)境條件的分析

在樣品容器由于動態(tài)振動環(huán)境產(chǎn)生軸向過載為–8n時，不考慮樣品容器與飛行器接觸面直接的摩擦，將–8n動態(tài)載荷代入動力學(xué)模型可知：法向運動與準(zhǔn)靜態(tài)情況相同，軸向方向是在原受力基礎(chǔ)上的疊加。下圖6給出動態(tài)振動量級為–8n時，樣品容器在再入情況下相應(yīng)的軸向受力情況。樣品初始位置分別在樣品容器前壁面（初始位移為0）和后壁面（初始位移為–10mm）兩種情況對應(yīng)的軸向力情況。

2.2.2 軸向正向動態(tài)振動的分析

當(dāng)外界動態(tài)環(huán)境沿軸向為正方向的振動時，樣品容器會出現(xiàn)遠離前壁面的運動趨勢。考慮8n的動態(tài)載荷條件，以及法向位移不大于10mm的空間約束，樣品容器的軸向受力情況如下圖7所示。

從圖中可以看出，當(dāng)軸向動態(tài)環(huán)境為正向振動時，樣品容器會出現(xiàn)遠離飛行器艙體前壁面的運動，但由于后壁面的約束，會出現(xiàn)不斷的軸向上下地面往復(fù)振蕩。由于樣品容器與飛行器沿軸向的間隙較小（取10mm），所以振動很頻繁。

從上面的分析可知，沿軸向的動態(tài)振動環(huán)境會對樣品容器受力及運動情況造成顯著影響。其中正、負向動態(tài)環(huán)境的影響可以總結(jié)如下：

1）動態(tài)振動為負向時，樣品容器始終與飛行器艙壁接觸，動態(tài)環(huán)境的影響是增加飛行器艙壁對樣品容器的接觸力；

2）動態(tài)振動為正向時，考慮上面艙蓋的約束，樣品容器會出現(xiàn)軸向的往復(fù)振蕩運動，在10mm間隙情況下，這種振動很頻繁。當(dāng)容器艙門出現(xiàn)松動或鎖定不可靠，存在樣品飛出容器的風(fēng)險

3 結(jié)束語

取樣返回研究是未來進行地外星體探測的重要手段，本文以取樣返回飛行器樣品容器為研究對象，對其在再入大氣飛行過程進行動力學(xué)建模，并以典型跳躍式返回飛行過程為例，對樣品容器在再入飛行過程中的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)振動條件下的受力情況及其在飛行器艙內(nèi)位移情況進行仿真分析。分析結(jié)果顯示，準(zhǔn)靜態(tài)情況下，樣品容器主要存在法向的運動；在考慮飛行器進入大氣時的動態(tài)振動時，負的軸向過載會引起樣品容器與飛行器艙體的擠壓，正的軸向過載會引起樣品容器與飛行器艙壁底面的持續(xù)碰撞。本文獲得的動力學(xué)模型可同樣推廣用于彈道式和半升力返回模式下的樣品容器受力研究，相應(yīng)的分析結(jié)果可作為取樣裝置設(shè)計的依據(jù)。

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Dynamics Modeling and Simulation of Sample Container during Entry from Planetary Exploration

GAO Jie ZHAO Huiguang LIU Xin

（Insutitte of Spacecraft System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

Robotic sample return exploration will be an essential way for extro-planet exploration, which is also a necessary preparation for human landing exploration. Under different technology besis or for specific develop requirement, capsule will entry earth in various ways. For example, the entry capsules of United States, Russia and Japan all adopt ballistic entry, whereas Chinese lunar exploration project takes skip reentry. For sample container, mechanical performance relies on entry environment closely. As extro-planet sample return has never been implemented in China, specific dynamic modeling and simulation has not been studied before. This paper builds dynamic model of sample container during entry firstly, including axial and normal position. Then, The force and motion station of the sample container is analyzed in quasi-static and dynamic condition by setting the force situation of sample container during entry in typical trajectory as the object of study, and obtains the motion characteristic of the sample container during entry finally. The results of this paper will be available for the design of sample container.

quasi-stastic; dynamic vibrating; sample container; entry process; dynamics; planetary exploration

V412.4

A

1009-8518(2018)05-0018-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.003

高潔，女，1985年生，2010年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計專業(yè)碩士學(xué)位，工程師?，F(xiàn)從事返回衛(wèi)星總體設(shè)計工作。E-mail: suzhou33050421@163.com。

2018-02-20

（編輯：劉穎）