月球软着陆缓冲足设计及其着陆缓冲性能仿真研究

作     者：孙浩南 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张元

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：缓冲足 缓冲性能 弹簧阻尼系统 着陆稳定性 动力学仿真 

摘      要：2004年,我国启动了名为“嫦娥工程的月球探测工程,其中能否软着陆是探测月球的基础。缓冲足作为直接与月球月壤发生相互作用的部件,是决定能否顺利完成探测器软着陆的关键,探测器通过缓冲足中的缓冲机构吸收着陆冲击能量,以此保护探测器中精密仪器。本文提出一种能适应月球环境、可重复使用、落月后可进行姿态调整的缓冲足,并对缓冲足动力学特性进行研究。本文对探测器中气囊式、阻尼式、变形式等缓冲机构进行对比分析,根据设计要求选择了机械式弹簧阻尼缓冲器作为缓冲机构,设计出开放式、轻量化的弹簧阻尼缓冲器。首先对弹簧阻尼缓冲器的最大工作载荷与刚度进行计算,并作为仿真的理论基础,然后应用ANSYS软件对弹簧阻尼缓冲器进行动力学分析,以确保弹簧阻尼缓冲器在探测器软着陆时不会产生自振,进而影响缓冲效果。选择半球形足作为缓冲足的足端构型,并完成了半球形足端结构设计,使其在软着陆时能够起到减震作用。通过简化半球形足端的结构建立足端-月壤Bekker应力模型,并结合月壤力学参数,分别计算足端完全陷入月壤与不完全陷入月壤所需的法向力F,找到沉陷量与球径R、法向力F之间的关系,确保探测器着陆后足端不会完全陷入月壤中。对半球形足端的关键零件进行可靠性分析,确定影响半球形足端结构可靠性的因素。再运用ANSYS中的Six Sigma模块进行求解,确定半球形足端的可靠性。在ADAMS中建立探测器整体仿真模型与柔性月壤模型,对软着陆过程中探测器的着陆姿态与着陆工况进行分析,确定不同弹簧阻尼系数、水平速度、月面坡度、俯仰角、偏航角等因素对着陆稳定性的影响。并得出弹簧阻尼系数的最佳值,水平速度越小探测器稳定性越好;探测器的缓冲足2-2式着陆(偏航角22.5°)的稳定性最好,月面坡度越小着陆稳定性越好,尽可能使探测器在平坦的着陆区域实现软着陆。本文研究的缓冲足在软着陆时的稳定性能,将为后续探测器行走研究奠定一定的理论基础。