張 勝，賈 山，陳金寶，周向華，趙建華

（南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著嫦娥四號(hào)著陸器的成功著陸，我國(guó)探月工程三步走戰(zhàn)略即將成功收官。后續(xù)，我國(guó)將繼續(xù)實(shí)施探月四期、載人登月、火星探測(cè)、小行星探測(cè)和載人登火等多項(xiàng)深空探測(cè)任務(wù)［1-3］，其中，星表軟著陸機(jī)構(gòu)作為深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到相關(guān)任務(wù)的成?。?-6］，因此，軟著陸裝置的研究對(duì)空間科學(xué)和星表探測(cè)技術(shù)的發(fā)展十分重要。在實(shí)際工程中，為了實(shí)現(xiàn)軟著陸機(jī)構(gòu)緩沖性能的可靠性評(píng)估，必須采取理論建模、數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)手段［7-10］，落震試驗(yàn)臺(tái)作為開(kāi)展地面試驗(yàn)的核心裝置，具有極其重要的研究?jī)r(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)可滿足多工況要求的星表著陸裝置落震試驗(yàn)臺(tái)的研究和應(yīng)用并不多，少量的幾例單腿落震試驗(yàn)臺(tái)并未針對(duì)星表著陸裝置對(duì)特殊工況的試驗(yàn)需求進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，通用性也不足，尤其在樣機(jī)的提升和釋放方面存在操作不便、安全性較低、實(shí)驗(yàn)精度不足等技術(shù)缺陷。此外，現(xiàn)階段由高校主導(dǎo)研制并應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的星表軟著陸裝置地面試驗(yàn)系統(tǒng)還鮮有報(bào)道，這對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是不利的，不符合理論聯(lián)系實(shí)際的復(fù)合型人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢(shì)［11-12］。

本文設(shè)計(jì)了一種星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)，滿足以月球探測(cè)為代表的星表著陸緩沖裝置原理樣機(jī)在各典型工況下的地面單腿落震試驗(yàn)的要求?；谀承吞皆轮懫魈摂M樣機(jī)落震仿真結(jié)果，運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了抗沖擊性能校核，驗(yàn)證了其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，保證了操作過(guò)程的安全性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得所設(shè)計(jì)的落震試驗(yàn)臺(tái)可兼顧高校的科研需求和學(xué)生的能力培養(yǎng)。

1 試驗(yàn)臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)

圖1 為本文所設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)，由臺(tái)架系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、落震系統(tǒng)、載荷采集系統(tǒng)以及安保系統(tǒng)五部分組成。

（1）臺(tái)架系統(tǒng)。原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，該沖擊力會(huì)直接作用于試驗(yàn)臺(tái)上，要求試驗(yàn)臺(tái)不僅要承受原理樣機(jī)本身的重力，還要承受原理樣機(jī)在落震過(guò)程中產(chǎn)生的巨大的過(guò)載慣性力，這要求所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)在體積受限的情況下，仍然要具備足夠的抵抗沖擊傾覆反力矩能力和避免過(guò)大撓度變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

（2）提升系統(tǒng)。采用電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—5005 型絲桿螺母的組合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)安裝臺(tái)架的提升，并可精確控制提升高度，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)觸地瞬間的速度要求。

（3）落震系統(tǒng)。包括通用滑軌臺(tái)架和自動(dòng)解鎖裝置，通用滑軌臺(tái)架能夠可方便地實(shí)現(xiàn)與滿足體積要求的多種著陸緩沖裝置的單腿樣機(jī)的機(jī)械連接；自動(dòng)解鎖裝置通過(guò)鎖止結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)與提升系統(tǒng)安裝臺(tái)架的鎖定和釋放，采用電動(dòng)動(dòng)推桿與重載滑輪副的組合方式，使解鎖過(guò)程更加流暢，避免對(duì)原理樣機(jī)自由下落運(yùn)動(dòng)的干擾。

圖1 星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

（4）載荷采集系統(tǒng)。包括星表地面模擬裝置，反力檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)三個(gè)部分。星表地面模擬裝置能夠模擬落震試驗(yàn)要求的不同傾角地面，實(shí)現(xiàn)多種工況的落震試驗(yàn)；反力檢測(cè)使用六維力傳感器獲取原理樣機(jī)觸地后與地面的接觸力變化，通過(guò)數(shù)據(jù)采集可以實(shí)時(shí)獲得反力變化曲線；數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步后處理以獲得需要的數(shù)據(jù)類(lèi)型［13］。

（5）安保系統(tǒng)。由機(jī)械安保和電器安保兩部分組成。機(jī)械方面主要采用機(jī)械限位的方式避免滑軌臺(tái)架超量程工作；電氣方面主要為當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到滑軌臺(tái)架超量程后，立即控制電機(jī)抱閘以暫停整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的工作。

2 試驗(yàn)臺(tái)裝置工作方法

2.1 試驗(yàn)臺(tái)裝置工作原理

以某型探月著陸器原理樣機(jī)的落震試驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)對(duì)象，圖2 為本文設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)的工作流程。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)裝置試驗(yàn)工作流程

2.2 試驗(yàn)提升過(guò)程

通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的工裝模型將某型探月著陸器的單腿原理樣機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)裝置連接，檢查試驗(yàn)臺(tái)裝置狀態(tài)正常后，調(diào)整落震系統(tǒng)中的著陸支腿的著落姿態(tài)，固定該著陸姿態(tài)，將載荷采集系統(tǒng)固定在合適位置，采用鎖止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖：電推桿推動(dòng)半圓頭光軸使其與重載滑輪副貼合，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)與落震系統(tǒng)的銜接。通過(guò)提升系統(tǒng)將落震系統(tǒng)提升到所需預(yù)定高度，如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)落震過(guò)程

圖3 試驗(yàn)臺(tái)提升示意圖

為了精確模擬某型探月著陸器單腿原理樣機(jī)的落震試驗(yàn)過(guò)程，需要在通用滑軌臺(tái)架上方添加一定質(zhì)量的配重塊使落震系統(tǒng)總質(zhì)量達(dá)到原理樣機(jī)單腿落震要求的著陸質(zhì)量［14］，通過(guò)解鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)解鎖：電推桿推動(dòng)半圓頭光軸使其與重載滑輪副脫離，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)與落震系統(tǒng)的分離。落震系統(tǒng)在重力作用下沿著圓柱導(dǎo)軌自由下滑，使著陸支腿上的足墊與載荷采集系統(tǒng)中的測(cè)力平臺(tái)接觸來(lái)模擬探月著陸器與地面的碰撞過(guò)程，并記錄數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)落震示意圖

3 試驗(yàn)臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬間地面支反力，該力會(huì)以沖擊的形式直接作用于試驗(yàn)臺(tái)上，這要求試驗(yàn)臺(tái)具備足夠的抵抗沖擊傾覆反力矩能力和避免過(guò)大撓度變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，因此需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)裝置進(jìn)行抗沖擊性能校核。

3.1 某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)裝置滿足強(qiáng)度和剛度要求，需要獲取原理樣機(jī)在落震觸地瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊力。如圖5 所示，將某型探月著陸器虛擬樣機(jī)導(dǎo)入Adams中進(jìn)行落震仿真，工況條件為：整機(jī)質(zhì)量為1.2 t，落地速度為4 m/s。

圖5 某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真示意圖

基于本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)裝置與專門(mén)設(shè)計(jì)的工裝：?jiǎn)瓮仍順訖C(jī)分別通過(guò)鉸接點(diǎn)1，2，3 和4 與試驗(yàn)臺(tái)裝置連接。因此，為了獲得試驗(yàn)臺(tái)裝置所受原理樣機(jī)在落震過(guò)程中產(chǎn)生的巨大的過(guò)載慣性力，需要得到虛擬樣機(jī)在落震仿真實(shí)驗(yàn)中4 個(gè)鉸接點(diǎn)位置所受沖擊力F的大小，圖6 為其受力示意圖。

圖6 鉸接點(diǎn)受力示意圖

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4 個(gè)鉸接點(diǎn)所受沖擊力的最大值分別為：11.388 182 4，14.226 457 2，8.528 460 4，5.822 797 9 kN。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)裝置瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

探月著陸器虛擬樣機(jī)落震觸地瞬間屬于一個(gè)碰撞過(guò)程，因此需要運(yùn)用Ansys 中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)試驗(yàn)臺(tái)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，試驗(yàn)臺(tái)裝置有限元模型鉸接點(diǎn)所受沖擊力的大小分別為：12，15，9，6 kN。

（1）試驗(yàn)臺(tái)裝置有限元模型建立。使用Solidworks軟件建立試驗(yàn)臺(tái)裝置模型，將其導(dǎo)入Ansys中的Transient Structural 模塊中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［15］，并輸入各個(gè)鉸接點(diǎn)位置所受沖擊力的大小，其有限元模型如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)裝置有限元模型圖

（2）計(jì)算結(jié)果分析。試驗(yàn)臺(tái)裝置有限元模型在上述仿真實(shí)驗(yàn)中得到?jīng)_擊載荷作用下，采用Ansys 求解對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，其結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)裝置應(yīng)力（a）、變形（b）和應(yīng)變（c）云圖

結(jié)果顯示：在沖擊過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)裝置達(dá)到的最大許用應(yīng)力為79.46 MPa，出現(xiàn)在通用滑軌臺(tái)架下方支架上，材料Q235 屈服極限為235 MPa，可知通用滑軌臺(tái)架強(qiáng)度滿足要求；臺(tái)架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大許用應(yīng)力為64.79 MPa，出現(xiàn)在圓柱導(dǎo)軌底部，材料45 號(hào)鋼屈服極限為355 MPa，可知圓柱導(dǎo)軌強(qiáng)度滿足要求，圓柱導(dǎo)軌最大變形為3.4 mm，由于圓柱導(dǎo)軌尺寸厚度較大，3.4 mm的變形不會(huì)對(duì)試驗(yàn)精度造成影響，所以圓柱導(dǎo)軌變形量同樣滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)能夠安全地用于探月著陸器單腿的落震試驗(yàn)并準(zhǔn)確地驗(yàn)證其緩沖性能，彌補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)對(duì)小型化單腿落震試驗(yàn)臺(tái)的研究和應(yīng)用不足之處。在Solidworks仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，建立了整套試驗(yàn)臺(tái)裝置的三維模型，并基于某型探月著陸器虛擬樣機(jī)落震仿真結(jié)果在Ansys中運(yùn)用有限元技術(shù)完成了試驗(yàn)臺(tái)裝置的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)性能分析，校核了其強(qiáng)度和剛度，證明所設(shè)計(jì)的星表著陸裝置多工況落震試驗(yàn)臺(tái)符合要求，也為后續(xù)進(jìn)行其他形式的單腿落震試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

此外，該試驗(yàn)臺(tái)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠提高學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生很好地在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)的同時(shí)學(xué)習(xí)有關(guān)著陸器緩沖方面的知識(shí)，為國(guó)家培養(yǎng)更多的航天人才。