田保林,于海濤,閆 振,張宏劍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，哈爾濱 150001；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

近年來(lái)，藍(lán)色起源及Space-X公司對(duì)垂直起降技術(shù)(VTVL)進(jìn)行了相關(guān)研究并先后完成火箭回收工作。藍(lán)色起源公司最早于2015年成功將New Shepard[1]發(fā)射到預(yù)定亞軌道并完成回收;于2016年開(kāi)始從事New Glenn的研究，可重復(fù)使用次數(shù)預(yù)計(jì)可達(dá)100次。Space-X[2]公司于2011年開(kāi)始從事可回收火箭的研究工作，近兩年先后實(shí)現(xiàn)Falcon Heavy火箭及Block5型運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)，F(xiàn)alcon Heavy火箭在現(xiàn)有運(yùn)載火箭中運(yùn)載能力最大。2019年4月，重型獵鷹在完成Arabsat-6A衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)后，成功將助推器和主體火箭進(jìn)行回收。獵鷹9號(hào)Block 5型是獵鷹9號(hào)最新的升級(jí)版構(gòu)型[3]，目標(biāo)是在簡(jiǎn)單維護(hù)后重復(fù)使用次數(shù)達(dá)10次，經(jīng)過(guò)后期維修后重復(fù)使用次數(shù)實(shí)現(xiàn)100次。

著陸支撐系統(tǒng)是確?；鸺€(wěn)定著陸的前提和保證，在火箭返回過(guò)程中通過(guò)柵格舵[4]進(jìn)行姿態(tài)與著陸點(diǎn)位置控制，利用剩余燃料啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減速，并通過(guò)著陸支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)火箭近地軟著陸。著陸瞬間通過(guò)緩沖材料實(shí)現(xiàn)沖擊能量吸收，瞬間碰撞對(duì)支撐機(jī)構(gòu)瞬態(tài)強(qiáng)度要求較高，設(shè)計(jì)一種具有較為可靠性的支撐系統(tǒng)尤為重要。國(guó)內(nèi)航天院所及高校開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作，高樹(shù)義等[5]總結(jié)了我國(guó)60年來(lái)在航天器回收技術(shù)領(lǐng)域取得的成就和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。崔乃剛等[6]對(duì)垂直起降運(yùn)載器現(xiàn)狀進(jìn)行分析并總結(jié)回收過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。肖杰等[7]對(duì)支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，并利用氣體作動(dòng)實(shí)現(xiàn)展收動(dòng)作。Zhang等[8]對(duì)支撐機(jī)構(gòu)軟著陸影響因素進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證緩沖器特性。王海洋[9]對(duì)著陸過(guò)程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模并分析著陸過(guò)程相關(guān)影響因素。楊文淼等[10]通過(guò)ADAMS二次開(kāi)發(fā)模擬鋁蜂窩特性并對(duì)著陸過(guò)程進(jìn)行仿真分析。畢春瑩[11]對(duì)平行四邊形著陸支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并分析著陸穩(wěn)定特性。

本文針對(duì)現(xiàn)有支撐機(jī)構(gòu)在展開(kāi)過(guò)程中分析不足等問(wèn)題，提出一種全新的支撐機(jī)構(gòu)構(gòu)型并對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析，探究鎖緊機(jī)構(gòu)擬定彈簧參數(shù)的可行性以及主要影響。

1 著陸支撐機(jī)構(gòu)展收原理

基于拓?fù)淅碚搶?duì)支撐機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行研究并提出一種支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)展開(kāi)與收攏，通過(guò)更換緩沖材料實(shí)現(xiàn)多次使用。其展開(kāi)收攏過(guò)程如圖1所示，其中AB連桿作為主支撐板承受較大側(cè)向力及拉伸力，CD連桿作為緩沖支撐桿，其上安裝有鋁蜂窩緩沖器完成對(duì)沖擊動(dòng)能的吸收，EF連桿作為驅(qū)動(dòng)連桿，當(dāng)鎖緊連桿GK完成驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)鎖定后，三角形FGK成為靜定結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐。各連桿之間通過(guò)圓柱銷進(jìn)行連接，火箭主體部位通過(guò)預(yù)留3個(gè)鉸鏈安裝位置分別與連桿中A、F、K鉸鏈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，其中鉸鏈C中安裝有萬(wàn)向球軸承，以防各連桿發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。

(a)收攏狀態(tài)

(b)中間狀態(tài)

(c)展開(kāi)狀態(tài)

支撐機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程相關(guān)特性受到重力、空氣阻力等影響，支撐機(jī)構(gòu)受力分析如圖2所示。

圖2 支撐機(jī)構(gòu)受力分析圖

(1)

由于支撐板在展開(kāi)過(guò)程中處于迎風(fēng)面，包裹其他連桿，在此忽略其他連桿所受阻力，若展開(kāi)過(guò)程火箭速度為v，則支撐板AB所受空氣阻力耗散功如式(2)所示

(2)

(3)

基于對(duì)1200mm原理樣機(jī)設(shè)計(jì)并進(jìn)行展開(kāi)過(guò)程仿真分析，得到鎖緊連桿相對(duì)速度近似為2000mm/s。

2 可行性驅(qū)動(dòng)展開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)包含驅(qū)動(dòng)元件和鎖緊構(gòu)件，圖1(a)為收攏狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)氣缸進(jìn)行初始作動(dòng)增大展開(kāi)初始速度，當(dāng)支撐機(jī)構(gòu)達(dá)到圖1(b)中間狀態(tài)時(shí)，依靠支撐板重力進(jìn)行展開(kāi)，而后達(dá)到圖1(c)展開(kāi)狀態(tài)時(shí)完成鎖定動(dòng)作。鎖緊前狀態(tài)如圖3中(a)、(c)所示，鎖緊后狀態(tài)如圖3中(b)、(d)所示。其中鎖緊滑塊通過(guò)圓弧和矩形面配合實(shí)現(xiàn)依附于鎖緊下連桿表面運(yùn)動(dòng)，其他各連桿通過(guò)矩形面配合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自由度。

鎖緊機(jī)構(gòu)工作流程為：氣缸伸長(zhǎng)帶動(dòng)鎖緊上連桿運(yùn)動(dòng)至預(yù)定長(zhǎng)度，此時(shí)鎖緊上連桿凹槽帶動(dòng)鋼球及滑塊擋板移動(dòng)并牽引擋銷彈簧，當(dāng)滑塊擋板運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置后釋放鎖緊滑塊，鎖緊滑塊由于鎖緊彈簧作用實(shí)現(xiàn)靠攏從而限制鎖緊上連桿返回，此時(shí)完成一次鎖定動(dòng)作。而后鎖緊上連桿繼續(xù)帶動(dòng)滑塊擋板運(yùn)動(dòng)并拉伸擋銷彈簧，當(dāng)擋銷彈簧彈力大于鋼球彈簧分力時(shí)牽引滑塊擋板返回，從而限制鎖緊滑塊遠(yuǎn)離，并完成鎖緊滑塊的二次鎖定。當(dāng)完成回收工作后通過(guò)人工釋放擋銷彈簧及鎖緊彈簧預(yù)載力，進(jìn)行人工復(fù)位從而實(shí)現(xiàn)多次使用。

支撐機(jī)構(gòu)落地瞬間驅(qū)動(dòng)上連桿壓緊鎖緊滑塊，此時(shí)由于驅(qū)動(dòng)下連桿及鎖緊滑塊彈性變形等，導(dǎo)致鎖緊滑塊具有遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，通過(guò)二次鎖定可較好地預(yù)防鎖緊失效狀況。

(a)

(b)

(c)

(d)

2.2 鎖緊機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析

鎖緊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件安裝形式如圖3所示，其中滑塊擋板末端安裝有鋼球彈簧及鋼球，通過(guò)鋼球彈簧與擋銷彈簧力的相對(duì)變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)牽引和釋放。對(duì)上述鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，并對(duì)其進(jìn)行受力分析,如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

定義鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊滑塊彈簧力為FS，受擋銷支撐力為FZ。擋銷受鎖緊上連桿牽引力FQ，受鎖緊下連桿支撐力FZ1，受彈簧拉力FT，受滑塊摩擦力FM，以及二次鎖定時(shí)滑塊斜面力FD。鋼球受彈簧力FB，斜面壓力FN，斜面摩擦力Ff，擋銷支撐力FZ3，以及驅(qū)動(dòng)上連桿支撐力FZ2。定義滑塊斜面角度θ，鋼球槽角度φ。

若滑塊質(zhì)量為MH，擋銷質(zhì)量為MX，鋼球質(zhì)量為MG,則鎖緊滑塊等構(gòu)件在釋放前力學(xué)分析如式(4)所示

(4)

各移動(dòng)構(gòu)件在釋放過(guò)程中力學(xué)方程如式(5)所示

(5)

釋放后滑塊擋板回彈實(shí)現(xiàn)鎖緊滑塊二次鎖定，此時(shí)滑塊擋板等受力如式(6)所示

F′T-FDsinθ=MXaS2

(6)

在鎖緊機(jī)構(gòu)釋放前微弱的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)近似不計(jì)，aJi(i=1～3)=0，依據(jù)式(5)中aG1積分可計(jì)算鎖定時(shí)間，依據(jù)式(6)中aS2計(jì)算二次鎖定時(shí)間。若鎖緊上連桿鎖定余量L為5mm，鋼鐵碰撞恢復(fù)系數(shù)近似為5/9，則可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算上驅(qū)動(dòng)連桿碰撞反彈時(shí)間。通過(guò)對(duì)比鎖緊時(shí)間與碰撞反彈時(shí)間確定鎖緊機(jī)構(gòu)可行性。

3 彈簧參數(shù)對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)可行性影響分析

3.1 移動(dòng)構(gòu)件屬性參數(shù)

通過(guò)對(duì)上述鎖緊機(jī)構(gòu)可行性進(jìn)行理論分析，并依據(jù)展開(kāi)過(guò)程實(shí)際工況，為確保鎖定可靠，擬定鎖緊機(jī)構(gòu)主要零部件參數(shù)信息如表1所示，滑塊斜面等角度如表2所示。

表1 鎖緊機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)

表2 滑塊及上連桿凹槽角度

3.2 鎖緊可行性仿真分析

通過(guò)ADAMS建立虛擬樣機(jī)仿真模型[12]，添加關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并設(shè)置彈簧及碰撞力參數(shù)，鎖緊流程仿真分析如圖5所示。

(a)收攏狀態(tài)

(b)牽引釋放

(c)鋼球脫離

(d)二次鎖定

為探究彈簧參數(shù)對(duì)鎖緊可行性的影響，現(xiàn)施加驅(qū)動(dòng)速度2000mm/s，彈簧參數(shù)如表1所示，其鎖定過(guò)程特性曲線如圖6、圖7所示。

當(dāng)設(shè)置彈簧參數(shù)如表1所示時(shí)，即鋼球彈簧與擋銷彈簧參數(shù)存在耦合關(guān)系時(shí)，可在預(yù)定位置完成釋放動(dòng)作，并在0.02s內(nèi)完成滑塊二次鎖定。

當(dāng)提高鋼球彈簧預(yù)壓載荷為50N、剛度系數(shù)為1.5N/mm時(shí)，移動(dòng)構(gòu)件位移曲線如圖8所示。

圖6 各彈簧受力曲線

圖7 移動(dòng)構(gòu)件位移曲線

圖8 增大鋼球彈簧參數(shù)的影響

當(dāng)增大鋼球彈簧參數(shù)時(shí)，可完成滑塊的移動(dòng)鎖緊動(dòng)作，由于鋼球無(wú)法完成脫離，擋銷未能實(shí)現(xiàn)二次鎖定，此時(shí)鎖緊可靠性相對(duì)較低。

若增加擋銷彈簧初始負(fù)載為-10N(彈簧處于拉伸狀態(tài))，此時(shí)移動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖9所示。

圖9 增大擋銷彈簧參數(shù)的影響

當(dāng)增大擋銷彈簧初始負(fù)載時(shí)，此時(shí)由于鋼球彈簧載荷分量小于擋銷彈簧拉力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)牽引動(dòng)作，將無(wú)法完成鎖定。

通過(guò)對(duì)原理樣機(jī)仿真分析，得知擋銷彈簧參數(shù)與鋼球彈簧參數(shù)存在數(shù)值關(guān)系，此結(jié)論與前文推導(dǎo)方程相對(duì)應(yīng)。為確保展開(kāi)與鎖定過(guò)程可靠，需保證鋼球彈簧牽引力分量大于擋銷彈簧牽引拉力，此時(shí)可保證鎖緊滑塊順利釋放，若保證二次鎖定動(dòng)作順利完成，需合理匹配兩者數(shù)值大小關(guān)系。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有著陸支撐機(jī)構(gòu)展開(kāi)可靠性方面的問(wèn)題，本文提出一種全新的支撐機(jī)構(gòu)并對(duì)主要的鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)特性分析，通過(guò)選擇合理的彈簧參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在預(yù)定位置一次、二次鎖定動(dòng)作。本文通過(guò)建立虛擬樣機(jī)仿真模型，對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)曲線位移時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)比并觀測(cè)鎖緊機(jī)構(gòu)各桿件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得知擬定的參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的鎖緊功能。本文對(duì)擋銷彈簧、鋼球彈簧參數(shù)的影響進(jìn)行了分析，從而為確保鎖緊機(jī)構(gòu)能夠滿足功能需要提供技術(shù)支撐。

后續(xù)工作將考慮支撐機(jī)構(gòu)在不同高度落地時(shí)瞬間碰撞對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)的影響，以及展開(kāi)過(guò)程中不同重力加速度對(duì)展開(kāi)狀態(tài)及鎖緊機(jī)構(gòu)的影響。