王永濱 武士輕 牟金崗 劉歡 朱謙 馮蕊 唐明章 王立武,4 黃偉
月球著陸器著陸緩沖展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
王永濱1,2,3武士輕1,2牟金崗1,2劉歡1,2朱謙1,2馮蕊1,2唐明章1,2王立武1,2,4黃偉1,2
(1 北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)(2 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)(3 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院,南京 210016)(4 東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 211189)
月球著陸器著陸緩沖機(jī)構(gòu)是月球著陸探測(cè)的關(guān)鍵部件,其展開(kāi)鎖定過(guò)程為一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的過(guò)程。由于該過(guò)程較為復(fù)雜,研究方法多采用試驗(yàn)研究,而對(duì)于其內(nèi)在運(yùn)動(dòng)特性分析不夠深入。為了量化分析著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定拓?fù)渥兓^(guò)程,評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的正確性,獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性,需要開(kāi)展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。文章采用奇異性分析法,建立展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的奇異性分析,獲得了該機(jī)構(gòu)的奇異性,證明了設(shè)計(jì)的正確性。在此基礎(chǔ)上,基于ADAMS軟件建立了著陸緩沖機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型,分析了整套機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,獲得了展開(kāi)過(guò)程相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果一致。研究結(jié)果表明,該展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)奇異點(diǎn)、可靠性高,研究結(jié)果可作為后續(xù)工程化參考。
著陸緩沖 展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 仿真 月球探測(cè)
月面著陸緩沖機(jī)構(gòu)為在月面實(shí)現(xiàn)軟著陸的關(guān)鍵部件,通過(guò)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的吸能實(shí)現(xiàn)著陸艙以低過(guò)載實(shí)現(xiàn)在月面的安全著陸。目前美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)均正在開(kāi)展月球著陸探測(cè)相關(guān)研究工作[1-4]。月球著陸器著陸緩沖機(jī)構(gòu)的展開(kāi)鎖定過(guò)程為一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的過(guò)程,該過(guò)程較為復(fù)雜。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究來(lái)看,對(duì)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖特性的研究較為集中[5-9],對(duì)于著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究較少,只是對(duì)機(jī)構(gòu)展開(kāi)原理進(jìn)行了介紹。針對(duì)空間展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu),集中在空間對(duì)接結(jié)構(gòu)及艙門的鎖定等領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)研究[10-13]。圍繞展開(kāi)鎖定技術(shù),隨著新材料技術(shù)的發(fā)展,目前多朝著以記憶合金為代表的新型智能材料方向發(fā)展[14-17],但仍多采用試驗(yàn)研究。由于缺乏對(duì)于其內(nèi)在運(yùn)動(dòng)特性分析,包括理論和數(shù)值模擬的分析,對(duì)于該問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠深入,無(wú)法全方位的指導(dǎo)展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
著陸緩沖機(jī)構(gòu)的解鎖、展開(kāi)、再鎖定過(guò)程是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的過(guò)程,這一過(guò)程中存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化,為了量化分析著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定拓?fù)渥兓^(guò)程,評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的正確性,獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性,需要開(kāi)展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[18-19]。本文設(shè)計(jì)了一種月球著陸器的展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu),采用奇異性分析和虛擬樣機(jī)模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法,獲得了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性,解決了著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定拓?fù)渥兓^(guò)程量化分析難的問(wèn)題。
著陸緩沖機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)是方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),構(gòu)型設(shè)計(jì)涉及支腿數(shù)量、支腿構(gòu)型布局、收攏展開(kāi)構(gòu)型等環(huán)節(jié),各類構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)方法。圖1為一種四支腿懸臂式內(nèi)側(cè)折疊收攏著陸緩沖機(jī)構(gòu)方案。
圖1 著陸緩沖機(jī)構(gòu)
展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)著陸緩沖機(jī)構(gòu)緩沖支腿的初始鎖定、展開(kāi)和二次鎖定,由展開(kāi)機(jī)構(gòu)與鎖定機(jī)構(gòu)兩部分組成,如圖2所示。展開(kāi)機(jī)構(gòu)與鎖定機(jī)構(gòu)通過(guò)渦卷簧軸(3)和限位鉤(10)所組成的具有定角度觸發(fā)功能的聯(lián)動(dòng)軸聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的展開(kāi)與鎖定功能。該機(jī)構(gòu)采用多連桿耦合作用關(guān)系,創(chuàng)新性地提出了一種具有主動(dòng)抓取且運(yùn)動(dòng)時(shí)序可控的高可靠空間展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程多個(gè)時(shí)序控制。
圖2 展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)組成
著陸緩沖機(jī)構(gòu)著陸前需完成由折疊收攏狀態(tài)到展開(kāi)鎖定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在折疊收攏狀態(tài)解除鎖定后,展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)中處于收緊狀態(tài)的卷簧驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),將展開(kāi)架連同著陸緩沖支腿展開(kāi),在展開(kāi)過(guò)程接近預(yù)定位置時(shí)定角度觸發(fā)裝置觸發(fā)鎖定機(jī)構(gòu)動(dòng)作,鎖定機(jī)構(gòu)中處于壓緊狀態(tài)的壓簧釋放儲(chǔ)存的勢(shì)能為鎖定機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)力,鎖定機(jī)構(gòu)主動(dòng)抓取并引導(dǎo)展開(kāi)架限位銷進(jìn)入鎖定位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)展開(kāi)架與著陸緩沖支腿展開(kāi)狀態(tài)的鎖定。
圖3為展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化拓?fù)涫疽?。圖中~為展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)各固定點(diǎn)和鉸鏈點(diǎn),1~9為展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)固定結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的桿長(zhǎng),1~4分別為桿7、6、5、3與豎直軸線的夾角,為桿2與豎直軸線的夾角。通過(guò)將展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,可分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)理。首先對(duì)展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)各桿件進(jìn)行簡(jiǎn)化,利用機(jī)械原理簡(jiǎn)化基本原則,將實(shí)體化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)桿系,可建立展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)方程,最終獲得該空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。需要說(shuō)明的是展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)為一空間機(jī)構(gòu),將三條支腿簡(jiǎn)化成一個(gè)三角形,則該機(jī)構(gòu)可以作為平面機(jī)構(gòu)來(lái)分析。展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)組成,即連桿和連桿。其中2桿為驅(qū)動(dòng)桿,由其驅(qū)動(dòng)四連桿轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)4在2桿的驅(qū)動(dòng)作用下,驅(qū)動(dòng)四連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)7主支腿的展開(kāi)和二次鎖定。
圖3 展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)拓?fù)涫疽?/p>
奇異性分析指的是在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至某些位置時(shí),系統(tǒng)中的構(gòu)件出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的不確定性,稱為機(jī)構(gòu)的“死點(diǎn)”。約束系統(tǒng)可以用拉格朗日坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱拉氏)來(lái)描述[20]。假設(shè)系統(tǒng)中有個(gè)活動(dòng)件,則可相應(yīng)的用個(gè)拉氏坐標(biāo)來(lái)描述系統(tǒng)中的構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。在完整的約束系統(tǒng)中可以用下列形式表示其約束方程f
f(ψ)=0 (1)
式中ψ(1, 2,···,)為拉氏坐標(biāo);為約束方程序號(hào),=1, 2, ···,(為約束方程的個(gè)數(shù),=2,為機(jī)構(gòu)閉鏈的個(gè)數(shù))。
式(1)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得
在拉氏坐標(biāo)系中,主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義為一級(jí)坐標(biāo),用(1,2, ···,q)表示主動(dòng)件的一級(jí)坐標(biāo),為系統(tǒng)中一級(jí)坐標(biāo)的數(shù)量。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義為二極坐標(biāo),用(1,2, ···,?)表示從動(dòng)件的二極坐標(biāo),為系統(tǒng)中二級(jí)坐標(biāo)的數(shù)量。則式(2)可以寫成
式(3)的矩陣表達(dá)式為
其中
矩陣為速度矩陣,當(dāng)式(4)有解時(shí),行列式det≠0,若det=0,矩陣稱為奇異矩陣,式(4)無(wú)解,即此時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定[21]。
對(duì)圖3展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)拓?fù)溥M(jìn)行機(jī)構(gòu)的奇異性分析,由上文分析可知和連桿兩個(gè)閉鏈組成了該展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu),其中主驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)角為,主支腿、輔助支腿、展開(kāi)架和輔驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為1、2、3、4,獲得矩陣的秩
det=3467sin(1+2)sin(4-3) (7)
基于多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS,建立月球探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定動(dòng)力學(xué)分析模型,如圖4所示。模型中的各部組件之間的連接關(guān)系按照實(shí)際連接形式進(jìn)行模擬。展開(kāi)動(dòng)力采用卷簧驅(qū)動(dòng),此外對(duì)于展開(kāi)鎖定動(dòng)態(tài)鉤掛過(guò)程中涉及到的零部組件設(shè)置了接觸特性。分析中賦予各桿件質(zhì)量,對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,設(shè)置渦卷簧的驅(qū)動(dòng)扭矩為80Nm,依照金屬間摩擦系數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)部件間摩擦力。
圖4 展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型
采用ADAMS仿真分析軟件實(shí)現(xiàn)展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真,圖5為展開(kāi)鎖定過(guò)程整體狀態(tài)及對(duì)應(yīng)局部放大示意,圖5(b)中的箭頭為特定時(shí)刻彈簧力和接觸力的方向標(biāo)識(shí)。分別選取了0s,1.5s,3s,4.5s和6s不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)整個(gè)月球探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)及展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)局部的展開(kāi)與鎖定特性進(jìn)行了分析,獲得了機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程,確定了設(shè)計(jì)和分析的正確性。通過(guò)分析可以看出,整個(gè)展開(kāi)鎖定過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn),在運(yùn)動(dòng)末段采用鎖鉤主動(dòng)抓取,實(shí)現(xiàn)展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)的二次鎖定,經(jīng)鎖定的機(jī)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖5 展開(kāi)鎖定過(guò)程
對(duì)于展開(kāi)鎖定過(guò)程的分析,除了關(guān)注末段鎖定的有效性外,主要對(duì)展開(kāi)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析,包括展開(kāi)過(guò)程的主支腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和加速度。如圖6和圖7所示分別為主支腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度―時(shí)間曲線和加速度―時(shí)間曲線。由圖6可以看出,著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主支腿運(yùn)行平穩(wěn),展開(kāi)過(guò)程近似一個(gè)線性增速過(guò)程,最大角速度為0.22rad/s。展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)在5.4s時(shí)開(kāi)始鎖定,在5.9s時(shí)完成鎖定過(guò)程,完成鎖定后的主支腿受鎖定機(jī)構(gòu)的鎖鉤作用不再運(yùn)動(dòng)。由圖7可以看出,在鎖定之前無(wú)沖擊加速度,在鎖定瞬間發(fā)生鎖鉤與展開(kāi)架的碰撞,最大加速度沖擊為3.88m/s2,加速度較小可以忽略不計(jì)。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析,獲得了展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)的全過(guò)程運(yùn)動(dòng)特性,可有效支持該機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。
圖6 主支腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度—時(shí)間曲線
圖7 主支腿加速度—時(shí)間曲線
Fig. Acceleration–time curve of the primary strut
為了驗(yàn)證月球探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,建立了地面無(wú)重力模擬試驗(yàn)裝置,如圖8所示。試驗(yàn)時(shí)采用錐擺吊掛的試驗(yàn)方案,將主支腿的末端采用繩索進(jìn)行吊掛,實(shí)現(xiàn)無(wú)重力模擬。為了最大程度降低轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中吊掛繩索各向分力的影響,吊掛點(diǎn)選擇在主支腿與著陸探測(cè)器連接點(diǎn)正上方,使展開(kāi)過(guò)程實(shí)現(xiàn)一個(gè)錐擺運(yùn)動(dòng),采用高速攝像設(shè)備對(duì)主支腿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。圖9為測(cè)量獲得的主支腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度―時(shí)間曲線,獲得最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為0.25rad/s,與仿真分析計(jì)算獲得的0.22rad/s基本一致,誤差為12%。從圖9中可以看出,試驗(yàn)測(cè)試曲線與仿真分析曲線吻合一致性較好,獲得的展開(kāi)角速度與鎖定時(shí)間較為接近,驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。
圖8 展開(kāi)鎖定地面驗(yàn)證試驗(yàn)裝置
圖9 主支腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度—時(shí)間試驗(yàn)曲線
展開(kāi)鎖定試驗(yàn)是驗(yàn)證著陸緩沖支腿展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn),此次試驗(yàn)共進(jìn)行6次,試驗(yàn)結(jié)果狀態(tài)良好,數(shù)據(jù)一致度較好且可重復(fù)。整個(gè)著陸緩沖支腿可以在6s內(nèi)有效展開(kāi),展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)有效,鎖定過(guò)程高效可控,試驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)和分析預(yù)期。通過(guò)該試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,為后續(xù)的工程化研制積累了經(jīng)驗(yàn)。
1)針對(duì)一種大展開(kāi)收攏比月球著陸探測(cè)器,結(jié)合著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開(kāi)收攏構(gòu)型分析,提出一種高可靠的展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu),分析了該機(jī)構(gòu)的組成和工作原理。單套展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的可靠展開(kāi),另外該展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)還具備主動(dòng)抓取功能,具備較高的可靠性。
2)基于拉格朗日坐標(biāo)系,建立了展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)方程描述,在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)的奇異性進(jìn)行了分析,分析表明該展開(kāi)機(jī)構(gòu)在整個(gè)展開(kāi)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)奇異點(diǎn),展開(kāi)過(guò)程是確定的。
3)基于ADAMS軟件建立了著陸緩沖機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型,分析了整套機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)值一致,誤差為12%。
4)分析和試驗(yàn)表明,該展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)可在6s內(nèi)實(shí)現(xiàn)展開(kāi)和鎖定,展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)奇異點(diǎn)、可靠性高,研究結(jié)果可作為后續(xù)工程化參考。
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Design and Analysis of Landing Buffer Deployment and Locking Mechanism for Lunar Lander
WANG Yongbin1,2,3WU Shiqing1,2MU Jin?gang1,2LIU Huan1,2ZHU Qian1,2FENG Rui1,2TANG Mingzhang1,2WANG Liwu1,2,4HUANG Wei1,2
(1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)(2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China)(3 College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)(4 Southeast University, School of Civil Engineering, Nanjing 211189, China)
Lunar landing buffer device is the key component of lunar landing probe, the deploy and lock process is a topology structure changing process. Due to the complexity of the process, experimental research is mostly applied in research methods, but the analysis for its intrinsic characteristics is not thorough enough. In order to quantitative analysis on the topology structure changing process of lunar landing buffer device, dynamics analysis should be developed to evaluate the designing correctness, obtain kinetic characteristics during the motion process. This paper established the topology structure of the deployable and lockable mechanism and the singularity of the mechanism is analyzed by the singularity analysis method, and the singularity of the mechanism is obtained, and the correctness of the designing is proved. The virtual prototype model of the landing buffer device is established base on the ADAMS software, the kinematics characteristic of the mechanism is analyzed and the deployment process parameters are accessed, the experiment results was in accord with the analysis results. These studies show that the deploy process of the deployable and lockable mechanism is smoothly, with no singular point and high reliability, the results can be used as a reference for follow-up engineered.
landing gear; deployment and locking mechanism; kinematics; simulation; lunar exploration
V476
A
1009-8518(2021)01-0057-08
10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.007
王永濱,男,1984年生,2009年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)碩士學(xué)位,現(xiàn)在南京航空航天大學(xué)攻讀先進(jìn)制造專業(yè)博士學(xué)位,高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)楹教炱鞣祷嘏c著陸技術(shù)、航天器力學(xué)環(huán)境仿真分析。E-mail:ybkindy@163.com。
2020-07-15
國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51505028);載人航天領(lǐng)域第四批預(yù)先研究項(xiàng)目(040202)
王永濱, 武士輕, 牟金崗, 等. 月球著陸器著陸緩沖展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 57-64.
WANG Yongbin, WU Shiqing, MU Jin?gang, et al. Design and Analysis of Landing Buffer Deployment and Locking Mechanism for Lunar Lander[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 57-64. (in Chinese)
(編輯:王麗霞)