馮羿飛，李丹怡，秦浩，胡汝潔，張延坤，賈山

(南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

對小行星的探索可以幫助人們追溯星系起源、尋找地外資源，是人類邁向無垠深空的重要一步[1]。到目前為止，人類已經(jīng)多次發(fā)射小行星探測器，取得了確定目標小天體精密軌道、物質(zhì)組成、內(nèi)部結構等一系列成果[2]。為了更深入了解小行星，需要對小行星表面樣本進行分析，而要實現(xiàn)表面采樣目的, 探測器就必須著陸到小行星表面[3]。然而，小行星的弱引力、表面環(huán)境不確定等因素為著陸任務帶來了很大的困難。實際上，目前僅有歐空局發(fā)射的“菲萊”號使用緩沖裝置登陸能夠到小天體表面，但因沒有重復著陸的能力，最終也導致其著陸失敗[4]?？梢?，為了順利完成星表的采樣任務，需要讓探測器克服小行星特殊的著陸環(huán)境，穩(wěn)定地完成著陸。可以說，著陸緩沖過程關系整個任務的成敗。也正因如此，對著陸附著機構的研究具有重要的意義，設計并制造能適應小行星表面環(huán)境的著陸緩沖裝置將大大提高探測任務完成的成功率。本文將為一種針對長期附著方案提出的著陸附著機構建立虛擬樣機模型，使用該模型模擬小行星著陸任務完成落震動力學仿真，并依據(jù)仿真結果評估這一附著機構的性能。

1 仿真環(huán)境及指標分析

小型天體的附著機構與月球、火星探測使用的著陸緩沖機構有所不同，這是由于小型天體星表環(huán)境往往具有引力微弱、形狀不規(guī)則、表層特征不明等諸多特殊性[5-6]。其特殊性正是探測任務的難點所在，同時也是附著方案選擇、附著機構設計應該克服的要點所在。

本文的仿真方案中，將星體表面的微重力環(huán)境作為最主要的環(huán)境因素，忽略一些難以模擬的次要影響因素。假定探測對象是一個半徑為3 000m的最常見的C-型小行星，星體形狀為規(guī)則球體且質(zhì)量分布均勻。根據(jù)資料這類小行星密度約為1 300kg/m3[7]，則根據(jù)二體模型，星表重力加速度g、最小發(fā)射速度vorbital及逃逸速度vescape計算公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：G代表萬有引力常數(shù)；ρ代表小行星的密度；r代表小行星的半徑；V代表小行星的體積。

推算得到，重力加速度約為1.09×10-3m/s2，最小發(fā)射速度約為1.81 m/s，逃逸速度約為2.56 m/s，可以看到3個參數(shù)值都非常小。如果著陸后的橫向殘余速度大于最小發(fā)射速度，著陸器可能會進入環(huán)繞軌道；如果大于逃逸速度，著陸器甚至會擺脫小行星引力，飛離目標星體。這就要求緩沖機構對橫向動能有較好的吸收能力。

對于一般的緩沖機構，在反推動力按壓下足墊與星體表面的摩擦是主要吸收橫向動能方式。本文的仿真中，足墊與地面之間的動摩擦系數(shù)設置為0.3，靜摩擦系數(shù)設置為0.7。

此外，緩沖機構應發(fā)揮保護探測器內(nèi)部儀器的功能，防止其受到過大沖擊而損壞。為達到這一要求，一般認為落震過程中豎直方向和水平方向的最大過載響應均不得超過3g[8]。

2 附著方案分析

本文研究的附著機構是針對長期附著方案而提出的。相較于接觸反彈方案和盤旋附著方案，本方案的優(yōu)勢在于降低了對導航和姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求，并且由于長期固定于星體表面，故不需要設計特殊的采樣機構，可以使用傳統(tǒng)的鉆探機構采集更深層的樣本。同時，使用長期附著方案，采樣完成后有足夠的時間當場對樣本進行分析，可以不用攜帶樣本返回，能夠省去星表再發(fā)射裝置的成本，或是能夠使用發(fā)射裝置去重復探索更多星體。

此外，接觸反彈方案和盤旋附著方案對緩沖裝置的要求較低，甚至可以沒有緩沖裝置，但其附著速度必須被控制在很小的范圍內(nèi)。而長期附著方案允許附著速度達到1～2 m/s，相應的，這種方案需要行之有效的緩沖裝置。

3 虛擬樣機建模

3.1 附著系統(tǒng)整體結構

如圖1所示，這種附著系統(tǒng)的著陸緩沖機構為三足式。每足安裝有一個主緩沖器，主要吸收垂直方向的動能，另外每足通過球鉸連接有兩個副緩沖器，能夠有效吸收水平方向的動能。副緩沖器通過展開鎖定機構與主體部分相連，在著陸腿完全展開后該部分經(jīng)過鎖定形成桁架結構，有利于提高整個構型的穩(wěn)定性。

圖1 小行星附著器結構圖

3.2 緩沖裝置原理

如圖2所示，緩沖器由外筒、內(nèi)筒以及如彈簧、蜂窩鋁等用于吸能的緩沖結構組成。著陸時，附著器與小行星相撞產(chǎn)生的沖擊時，經(jīng)各部位的球鉸傳遞給緩沖器，緩沖器內(nèi)筒承受沖擊后收縮做功。在這一過程中，視緩沖器種類不同可將動能轉換為塑性變形能、內(nèi)能等其他形式的能量，以此降低主體部分承受的沖擊。

圖2 緩沖器結構圖

建立虛擬樣機模型時，在內(nèi)筒與外筒之間會添加摩擦系數(shù)和一個較大的預緊力。仿真中，利用內(nèi)筒與外筒之間的摩擦模擬緩沖器的性能，這一部分的受力情況可以作為緩沖器選用的參考。

3.3 運動副設置

本文研究的是附著機構著陸過程中的動力學特性，而對著陸腿展開這一過程沒有影響。為了最大程度簡化模型，將著陸腿完全展開后鎖定的部分用固定副連接，或者直接與其他部分連為一體，而對可以活動的、傳遞運動的連接，添加與之相對應的運動副。

運動副中除了緩沖器內(nèi)外筒之間的滑動副需要預緊力，還有足墊與球鉸之間的球副需要特殊處理。如果球副是理想光滑的話，落震中球墊會不受控制地轉動。所以足墊與球鉸之間需要添加摩擦系數(shù)和一定預緊力，以期足墊能夠穩(wěn)定活動。

完成全部運動副添加后，根據(jù)已有的小行星探測器參數(shù)，將主體部分質(zhì)量設定為450kg。設置著陸腿主要部分材料為鋁合金，每條著陸腿的質(zhì)量約為6kg。最后，設置足墊與地面間的接觸關系，調(diào)整接觸深度、剛度、摩擦系數(shù)等參數(shù)，完成整個虛擬樣機的建模。虛擬樣機整機如圖3所示。

圖3 虛擬樣機模型

4 落震仿真結果及分析

為簡化問題，落震仿真是基于以下幾點假設的：

1)模型各部件均為剛體，落震中形狀無明顯變化；

2)除了個別會影響仿真效果的約束，各運動副理想光滑；

3)地面具有較大剛度，不會發(fā)生明顯下陷。

前文中已經(jīng)確定了仿真環(huán)境參數(shù)，也完成了虛擬樣機模型的建立。在本節(jié)中，將基于ADAMS的動力學求解器，對建好的模型進行落震仿真，輸出著陸過程中附著器關鍵位置參數(shù)、受載情況、速度變化情況等參數(shù)，論證這種新型附著機構應用于實際小行星探測的可行性。

首先，為附著器賦予一個數(shù)值為0.5m/s的初速度，這一速度的縱向與橫向分量分別為0.3m/s和0.4m/s。仿真得到著陸過程速度變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯诼涞刂?，附著器依然具有一個橫向的殘余速度，這一速度在4 s內(nèi)被降到了5cm/s左右。這一數(shù)值優(yōu)于一些傳統(tǒng)的附著機構，由此可見，這一構型對橫向動能有比較好的吸收能力。

圖4 著陸過程速度變化情況

圖5為著陸過程中附著器受到的加速度響應情況?？梢钥闯觯街魇艿降淖畲筮^載不到1.2g，遠小于要求的3g，說明搭載的儀器設備是非常安全的，甚至可以考慮安裝更精密的設備。

圖5 著陸過程加速度變化情況

仿真中，附著器的著陸是一腿先著陸之后另外兩腿分別著陸的，這也是在導航和姿控系統(tǒng)不夠精確時最有可能發(fā)生的情況。如圖6所示，分別為著陸過程中受力最大的主緩沖器和副緩沖器的受力情況。可以看出，主要承擔吸收縱向沖擊的主緩沖器受力遠遠比副緩沖器要大得多，峰值約為4 300N，副緩沖器受力的峰值約為20N。這一結果說明主緩沖器應盡量選取性能更好的類型，而副緩沖器的選擇上可以盡量節(jié)約成本。

圖6 著陸過程緩沖器受力情況

下一步，設置一個更大的初始速度，探究附著機構在這一不同工況下的表現(xiàn)。新的初始速度為1m/s，相較之前有一個更大的水平分量0.8m/s。

在這一工況下的初步仿真中，得到結果并不理想——附著器發(fā)生了明顯的反彈，殘余速度也沒能得到很好的控制。于是，在上述初始條件的基礎上，添加一個持續(xù)4s、60N的按壓力，各環(huán)境參數(shù)保持不變。這種條件下，得到的仿真結果如圖7-圖8所示。可以看到，4s后的橫向殘余速度約為15cm/s，最大過載不超過2g，主緩沖器受力峰值達到9 000N左右，副緩沖器受力峰值約為20N。

圖7 新初始條件下的速度及加速度變化情況

圖8 新初始條件下的緩沖器受力情況

5 結語

針對一種新型的小行星附著機構建立了虛擬樣機模型，在動力學仿真軟件ADAMS中進行了落震仿真，得到的結果顯示：這種構型具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，能夠將著陸過載控制得非常小，并且具備良好的橫向動能吸收能力，能有效降低著陸后的殘余速度。同時，仿真中得到的關鍵位置力學參數(shù)對后續(xù)的著陸構型設計、緩沖裝置選擇也有一定的參考價值。