董小閔，李軍禮，于建強(qiáng)，潘成望，林 輕

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108)

1 引言

月面飛行器著陸時會承受巨大的沖擊載荷，為保證著陸器安全著陸，需采用緩沖機(jī)構(gòu)吸收并耗散能量[1-2]。緩沖器是著陸器緩沖機(jī)構(gòu)的核心，用于吸收著陸器在著陸沖擊過程中所產(chǎn)生的沖擊能量。國際上常用的緩沖器主要有液壓/氣壓緩沖裝置。可壓縮吸能緩沖裝置、機(jī)械式彈簧緩沖裝置。磁流變及電磁阻尼緩沖裝置。磁流變緩沖器具有體積小、阻尼力在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、緩沖完成后可完全恢復(fù)即可重復(fù)使用等優(yōu)勢，可用于著陸緩沖器，以降低月球及深空探測任務(wù)成本、提高發(fā)射頻率[3-4]。

迄今為止，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對月面著陸緩沖裝置進(jìn)行了大量研究[5]。美國的勘測者(Surveyor)探測器采用液壓阻尼來實現(xiàn)緩沖，阿波羅(A-pollo)登月艙和蘇聯(lián)的部分月球(Luna)探測器分別采用蜂窩鋁材料變形和金屬材料變形來實現(xiàn)緩沖[6]。目前磁流變緩沖器的設(shè)計已趨于成熟，將磁流變緩沖器應(yīng)用到月球著陸器緩沖機(jī)構(gòu)上具有理論上的可行性[7-8]，但研究重點多在于磁流變緩沖器本身的設(shè)計、控制與性能驗證，而對月面飛行器一些新的需求(如月面行駛時的越障緩沖)尚少有分析和回應(yīng)。

本文參考著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計方法[9-10]，針對月面飛行器對緩沖機(jī)構(gòu)兼顧著陸與越障緩沖的需求，提出一種將輪式移動機(jī)構(gòu)與磁流變緩沖器相結(jié)合的新型緩沖機(jī)構(gòu)方案。

2 緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計對象

根據(jù)月面大范圍機(jī)動系統(tǒng)總體方案研究技術(shù)指標(biāo)要求，低空飛行器結(jié)構(gòu)總體包絡(luò)尺寸為：Φ2500 mm×6000 mm，飛行器總體質(zhì)量1200 kg(包含著陸緩沖系統(tǒng))，乘載2人共300 kg，著陸緩沖機(jī)構(gòu)質(zhì)量80 kg，人員沖擊加速度最大過載5g。

針對月面探測任務(wù)需求設(shè)計的低空飛行器為四腿構(gòu)型，4個緩沖支腿沿飛行器對稱分布。結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 低空飛行器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of low-altitude aircraft

2.2 總體方案

緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，包括1只主緩沖器和4只輔助緩沖器，均采用閥式磁流變阻尼器。長度可調(diào)的輔助支撐機(jī)構(gòu)主要用于車輪的固定和收放。同側(cè)的2個輔助支撐內(nèi)部磁流變液通過管道相互連通，一個輔助支撐內(nèi)部的流出和流入管道與另一個輔助支撐內(nèi)部的流入和流出管道交叉連通，磁流變液流經(jīng)管道中間的閥式磁流變阻尼器時會產(chǎn)生一定的阻尼力。

圖2 緩沖機(jī)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of landing gear

2.3 詳細(xì)設(shè)計

磁流變緩沖器的主要緩沖元件為彈簧和磁流變阻尼器，其中彈簧提供恢復(fù)力，磁流變阻尼器提供阻尼力，通過控制電流強(qiáng)度來控制線圈的磁場強(qiáng)度，從而控制阻尼器的阻尼系數(shù)，實現(xiàn)緩沖力大小的調(diào)節(jié)。其具體結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 主緩沖器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of main shock absorber

圖4 輔助支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of auxiliary support mechanism

在主緩沖器的外筒上固定了一個彈簧，在彈簧的上端固定端蓋，著陸緩沖完成后機(jī)體與該端蓋由銷釘固連在一起，這時彈簧能起到支撐作用，飛行器再次起飛時固連狀態(tài)解除，緩沖機(jī)構(gòu)靠自身重力恢復(fù)到著陸緩沖初始狀態(tài)，能夠再次地著陸緩沖，實現(xiàn)了緩沖機(jī)構(gòu)的可重復(fù)使用。輔緩沖器通過連桿帶動外筒內(nèi)活塞左右滑動，使得外筒內(nèi)磁流變液在閥式阻尼器之間流通，從而產(chǎn)生阻尼力，起到緩沖并耗散部分沖擊能量的作用。

要得到磁流變緩沖器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)需對主緩沖機(jī)構(gòu)及輔助支撐機(jī)構(gòu)所需的最大阻尼力進(jìn)行計算。按著陸緩沖過程中所承受的極限加速度a＝5g，由F-mg＝ma得到著陸器承受的最大載荷為75 950 N，從而計算出1/4緩沖機(jī)構(gòu)的極限載荷。本設(shè)計采用的展開角度為27°，主輔緩沖器平面夾角為20°，由空間幾何關(guān)系，經(jīng)過計算，得到主緩沖器力值F約為12 000 N，輔助緩沖器力值Ff約 3000 N。

磁流變緩沖器的設(shè)計采用Bingham塑性模型(Bingham Plastic，BP)，基于BP模型計算緩沖器的輸出阻尼力表達(dá)如式(1)所示[11]：

其中，F(xiàn)為阻尼器的最大阻尼力；η為磁流變液的黏度；Q為流經(jīng)工作間隙的液體流量；Ap為活塞截面積；w為平板模型寬度；vd為磁流變液流經(jīng)間隙d的速度；τ0為磁流變液剪切屈服應(yīng)力。

基于式(1)，選取決定磁流變緩沖器的工作區(qū)域的關(guān)鍵幾何尺寸，包括激活區(qū)域間隙、活塞有效長度、線圈深度和線圈處間隙作為優(yōu)化變量，根據(jù)磁流變緩沖器的活塞桿與活塞的裝配尺寸設(shè)計約束條件，將阻尼器需提供的最大阻尼力值作為目標(biāo)函數(shù)，利用modeFRONTIER結(jié)合ANSYS和MATLAB對磁流變緩沖器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可以得到作為優(yōu)化結(jié)果的關(guān)鍵尺寸見表1。

表1 緩沖器尺寸參數(shù)Table 1 Key size parameters of buffer /mm

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

基于虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS環(huán)境，建立著陸緩沖機(jī)構(gòu)仿真模型如圖5。

圖5 著陸緩沖機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.5 Simulation model of landing gear mechanism

在處理著陸器車輪與月壤的接觸問題時，將作用力分為法向力和摩擦力，在描述月壤的塑性特征時，結(jié)合其表面承載力、彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)等特性對月壤進(jìn)行了表征，相關(guān)參數(shù)參考了阿波羅登月艙和探測者系列著陸器著陸仿真所采用的月壤力學(xué)性質(zhì)的描述[12-13]。

3.2 軟著陸分析

為驗證本文提出的用于月面低空飛行器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)在著陸過程的緩沖性能，進(jìn)行軟著陸分析。根據(jù)阿波羅載人登月艙豎直速度約為1～3 m/s，著陸工況選為：豎直初始速度為1 m/s，距月面高度為1 m，主、輔助緩沖器仿真模型阻尼單元的阻尼系數(shù)分別為4000 Ns/m和1000 Ns/m。

仿真得到低空飛行器軟著陸時的機(jī)體質(zhì)心加速度時間歷程如圖6所示，最大值約為3.32g，有效地降低了沖擊載荷，滿足最大沖擊加速度不超過5g的設(shè)計要求。

圖6 機(jī)體質(zhì)心加速度幅值Fig.6 Amplitude of body centroid acceleration

不同阻尼系數(shù)緩沖過程主緩沖器的阻尼力如圖7所示，從圖形包絡(luò)面積可以看出主緩沖器器耗能可調(diào)，且在阻尼系數(shù)為4000 Ns/m時，可充分利用其有效行程，緩沖器耗能面積較大，具有較好的緩沖性能。

圖7 不同阻尼系數(shù)時緩沖過程主緩沖器力值Fig.7 Main buffer force value with different damping coefficients during buffering

3.3 越障分析

為了驗證著陸緩沖機(jī)構(gòu)在復(fù)雜月面路況環(huán)境開展移動探測時緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖性能，進(jìn)行了越障分析。越障工況為在月球表面跨越凸形障礙、凹形障礙和坡度障礙。參考玉兔二號數(shù)據(jù)，低空飛行器運(yùn)動速度設(shè)為 0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s，設(shè)置凸形障礙、凹形障礙和坡度障礙(最大坡度20°)。與軟著陸相比，越障時對緩沖機(jī)構(gòu)的極限性能要求較低，因此在此工況下，主、輔助緩沖器仿真模型阻尼單元的阻尼系數(shù)可調(diào)為2000 Ns/m和500 Ns/m。

仿真可得越障時機(jī)體質(zhì)心加速度時間歷程如圖8～圖10所示?？梢钥闯觯煌俣认碌臋C(jī)體質(zhì)心加速度幅值的前后兩個峰值分別是月面低空飛行器前后輪跨越障礙的時刻，表示所設(shè)計月面低空飛行器能成功越障，實現(xiàn)了月面行駛的功能。而且在不同的越障工況下，隨著運(yùn)動速度的增加，機(jī)體質(zhì)心加速度值有所增加，但3種工況下的機(jī)體質(zhì)心加速度最大值約為1.25g，遠(yuǎn)小于極限加速度，說明月面低空飛行器在復(fù)雜月表越障行駛時緩沖機(jī)構(gòu)能夠發(fā)揮較好的緩沖隔振作用。

圖8 跨過凸形障礙時的機(jī)體質(zhì)心加速度幅值Fig.8 Amplitude of body centroid acceleration when crossing convex obstacle

圖9 跨過凹形障礙時的機(jī)體質(zhì)心加速度幅值Fig.9 Amplitude of body centroid acceleration when crossing concave obstacle

圖10 跨過坡度障礙時的機(jī)體質(zhì)心加速度幅值Fig.10 Amplitude of body centroid acceleration when crossing slope obstacle

4 結(jié)論

1)設(shè)計新型緩沖機(jī)構(gòu)將月球車輪式移動機(jī)構(gòu)與磁流變緩沖器相結(jié)合，實現(xiàn)了著陸緩沖機(jī)構(gòu)和月面飛行器移動機(jī)構(gòu)的一體化；

2)著陸時，飛行器極限加速度載荷約為3.32g，不超過最大沖擊加速度5g，可有效地降低沖擊載荷，具有較好的著陸緩沖性能；且其耗能可調(diào)，通過在障礙路況移動探測時調(diào)節(jié)阻尼，可有效提高移動探測過程的穩(wěn)定性。