羅 敏，楊建中，韓福生，滿劍鋒

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094；2. 中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所, 合肥 230031）

引 言

深空探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)主要功能是通過(guò)能量吸收元件的塑性變形，吸收著陸時(shí)探測(cè)器在給定的初始速度下的沖擊能量，從而起到保護(hù)探測(cè)器著陸過(guò)程中設(shè)備和人員安全的作用。一般來(lái)說(shuō)，深空探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)要求能量吸收元件具有力學(xué)特性穩(wěn)定、受空間環(huán)境影響小、緩沖特性在地面可以準(zhǔn)確測(cè)試等特點(diǎn)，同時(shí)能量吸收元件還要具備質(zhì)量輕、制備工藝簡(jiǎn)單、緩沖效率高等特性[1]。目前深空探測(cè)著陸緩沖機(jī)構(gòu)常用的能量吸收元件包括金屬膨脹管、鋁蜂窩、拉桿等[2]。其中，拉桿利用高強(qiáng)韌金屬桿在拉伸塑性變形時(shí)高效吸收能量的原理，具有體積小、單位重量能量吸收比高、吸能性能穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為深空探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)的能量吸收元件。在中國(guó)”嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)[3]和“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)[4]中，都采用了拉桿能量吸收元件以吸收探測(cè)器著陸時(shí)的沖擊能量。

高錳奧氏體孿生誘發(fā)塑性鋼（Twining Induced Plasticity，TWIP）具有較高的抗拉強(qiáng)度以及突出的塑性，其抗拉強(qiáng)度顯著大于共晶Pb-Sn、單晶銅合金等塑性合金，同時(shí)又具備較一般高強(qiáng)鋼更為優(yōu)異的斷后伸長(zhǎng)率（50%～110%），因此TWIP鋼兼具一定承載能力以及高效塑變吸能的綜合特性[5]。利用TWIP鋼制成拉桿、圓管等緩沖元件，能夠提供很高的緩沖塑性變形行程，并在變形過(guò)程中吸收大量的能量，非常適于作為緩沖機(jī)構(gòu)的能量吸收元件[6]。

TWIP鋼力學(xué)性能和TWIP鋼制拉桿能量吸收元件的安裝方式是影響探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)緩沖性能的關(guān)鍵因素。本文給出了TWIP鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，介紹了火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)中采用的TWIP鋼制拉桿的能量吸收設(shè)計(jì)，通過(guò)火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)分析和著陸沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了多種著陸工況下TWIP鋼制拉桿在著陸緩沖機(jī)構(gòu)中的緩沖性能。這些研究成果對(duì)TWIP鋼在后繼月球科考[7]、載人登月[8]等深空探測(cè)任務(wù)中著陸緩沖的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。

1 “天問(wèn)一號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)吸能設(shè)計(jì)

1.1 拉桿能量吸收元件設(shè)計(jì)

拉桿是由金屬材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工制成兩端可固定、中間工作段直徑一定的長(zhǎng)桿，其實(shí)物如圖1所示。將拉桿安裝在著陸緩沖機(jī)構(gòu)內(nèi)，著陸時(shí)產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能促使機(jī)構(gòu)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得拉桿拉伸變形，從而將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為拉桿塑性變形能。通過(guò)調(diào)整拉桿的直徑可以調(diào)整拉桿輸出載荷，從而獲得著陸緩沖機(jī)構(gòu)需要的緩沖力。通過(guò)調(diào)整拉桿長(zhǎng)度，結(jié)合金屬的塑性應(yīng)變，可以確定拉桿拉伸行程即最大的變形量，以上兩個(gè)參數(shù)決定了拉桿的吸能能力。

圖1 拉桿拉伸變形前后實(shí)物Fig. 1 Energy absorption pull rods (before and after deformation)

1.2 “天問(wèn)一號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)吸能設(shè)計(jì)

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器于2021年5月15日成功著陸火星表面，使中國(guó)成為第三個(gè)實(shí)現(xiàn)登陸火星的國(guó)家?；鹦翘綔y(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)的構(gòu)型如圖2所示。與“嫦娥三號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)[9]相比，由于火星具有大氣層導(dǎo)致探測(cè)器著陸飛行過(guò)程中產(chǎn)生高溫，火星探測(cè)器在著陸飛行過(guò)程中需要采用防熱大底對(duì)著陸探測(cè)器進(jìn)行熱防護(hù)，從而嚴(yán)格限制了著陸緩沖機(jī)構(gòu)的折疊包絡(luò)空間[10]，因此與“嫦娥”系列著陸器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)不同，火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)采用了“倒三角架”的構(gòu)型，由2個(gè)多功能主緩沖器、支撐桿、足墊等組成，這種構(gòu)型具有更高的折疊效率。另外，狹小的安裝空間也嚴(yán)重限制了各個(gè)緩沖器的徑向尺寸，使得單位體積吸能率低的鋁蜂窩等緩沖材料無(wú)法使用，因?yàn)檫@些材料在達(dá)到需要的緩沖力時(shí)需要較大的徑向空間?；谏鲜鲈?，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)全部采用拉桿作為緩沖吸能元件，在多功能主緩沖器內(nèi)各布置了兩根拉桿。著陸時(shí)，利用主緩沖器向外滑移的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，拉伸拉桿吸收縱向和水平方向的沖擊載荷。與“嫦娥三號(hào)”“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器的著陸緩沖機(jī)構(gòu)相比，拉桿在“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)中承擔(dān)了主要的能量吸收功能，對(duì)拉桿穩(wěn)定性和可靠性要求更高。

圖2 “天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)和拉桿應(yīng)用示意圖Fig. 2 The soft landing gears and pull rods made by TWIP steel for Tianwen-1 Mars lander

2 TWIP鋼塑性變形機(jī)理和力學(xué)性能

如上所述，拉桿采用的金屬材料力學(xué)性能，直接決定了拉桿緩沖吸能性能：金屬材料的拉伸應(yīng)力決定了單位材料的能量吸收能力；金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率，決定了拉桿的最大緩沖拉伸行程，因此，高拉伸應(yīng)變和高斷后伸長(zhǎng)率有利于增強(qiáng)拉桿的能量吸收能力。此外，在深空探測(cè)器上使用時(shí)，空間高低溫環(huán)境對(duì)材料特性具有重要影響，能夠在極端高低溫環(huán)境保持穩(wěn)定力學(xué)性能，是拉桿材料的關(guān)鍵特性之一。

TWIP鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度以及突出的塑性，符合著陸緩沖機(jī)構(gòu)的能量吸收材料需求。利用TWIP鋼制成拉桿元件，能夠提供很高的緩沖塑性變形行程，并在變形過(guò)程中吸收大量的能量。

2.1 TWIP鋼高塑性微觀機(jī)理

圖3給出了TWIP鋼在不同拉伸應(yīng)變量下的微觀組織。由圖3（a）可以看出，TWIP鋼原始組織主要由等軸奧氏體晶粒與少量退火孿晶組成。隨著塑性變形的進(jìn)行，晶粒逐漸沿著拉伸方向拉長(zhǎng)，許多形變孿晶也逐漸產(chǎn)生，見(jiàn)圖3（b）、圖3（c）。應(yīng)變繼續(xù)增大時(shí)，晶粒的變形更加明顯，形變孿晶密度增加，如圖3（d）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，TWIP鋼拉伸變形時(shí)，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化最明顯的特征是：形變孿晶的出現(xiàn)，而且孿晶量隨著變形的進(jìn)行逐漸增多。形變孿晶一般在拉伸至5%～10%時(shí)出現(xiàn)，因此塑性變形的開(kāi)始階段主要依靠滑移，孿晶出現(xiàn)后，則以孿生變形機(jī)制為主。

圖3 TWIP鋼在不同拉伸應(yīng)變條件下的微觀組織Fig. 3 The micro-structure of directionally solidified twinning-induced plasticity (TWIP) steel under different strain

2.2 TWIP鋼拉伸力學(xué)性能

圖4 給出了TWIP鋼在室溫條件下的靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與常規(guī)碳鋼或者不銹鋼材料相比，該材料在具有較高的抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，具有突出的塑性，材料拉伸應(yīng)變能夠達(dá)到85%以上。這是因?yàn)門(mén)WIP鋼塑性變形中，大量形變孿晶的出現(xiàn)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)，一方面可有效提升材料強(qiáng)度，同時(shí)也使應(yīng)變由高應(yīng)變區(qū)向低應(yīng)變區(qū)轉(zhuǎn)移，宏觀上顯示出均勻的無(wú)頸縮伸長(zhǎng)，從而表現(xiàn)出極高的塑性。

圖4 TWIP鋼室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Engineering stress and strain curve of TWIP steel under room temperature

2.3 TWIP鋼高低溫力學(xué)性能

TWIP鋼在低溫（-60℃）、室溫（RT）和高溫（100℃）下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯觯S溫度升高，TWIP鋼材料屈服和抗拉強(qiáng)度有一定程度的降低，但是在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的塑性變形性能，材料斷后伸長(zhǎng)率均超過(guò)65%，且受溫度影響較小，這一特性有利于保證在深空高低溫條件下深空探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)的安全裕度，不會(huì)因?yàn)榫彌_材料斷裂而導(dǎo)致著陸緩沖機(jī)構(gòu)失效。

圖5 TWIP鋼不同溫度下力學(xué)性能對(duì)比Fig. 5 The mechanical characteristics of TWIP steel under different temperatures

3 拉桿能量吸收性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 數(shù)值模型

圖6給出了單套火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)模型。模型中各緩沖器結(jié)構(gòu)和足墊采用殼單元建模，并采用理想鋁合金彈塑性材料模擬材料特性。主緩沖器內(nèi)的拉桿采用梁?jiǎn)卧?，并采用圖4所示的TWIP鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變模型。著陸器采用剛體模型并施加給定的初速度。主支柱內(nèi)筒和外筒之間、足墊和著陸面之間采用庫(kù)倫摩擦模型模擬接觸。圖6中給出了單套著陸緩沖機(jī)構(gòu)緩沖前后的變形狀態(tài)。著陸器以一定的初始速度下降，推動(dòng)足墊在著陸面上滑行。在滑行過(guò)程中，主支柱受到壓縮載荷作用，使得內(nèi)部的拉桿發(fā)生塑性變形。

圖6 著陸緩沖機(jī)構(gòu)能量吸收過(guò)程Fig. 6 Energy absorption process of soft landing gear

3.2 沖擊試驗(yàn)

著陸緩沖機(jī)構(gòu)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。著陸緩沖機(jī)構(gòu)安裝在投放籃上，投放籃配置了1/4著陸器的重量并被抬升到0.75 m高度，用于提供預(yù)期的著陸速度及初始動(dòng)能。在每個(gè)緩沖器和投放籃之間安裝了力傳感器，用于測(cè)量從緩沖器輸入到著陸器的載荷大小。在著陸面的下面安裝了多維測(cè)力平臺(tái)用于測(cè)量足墊和著陸面的接觸力。拉桿的變形量可以在試驗(yàn)后通過(guò)幾何尺寸測(cè)量得到。

圖7 著陸緩沖機(jī)構(gòu)沖擊試驗(yàn)Fig. 7 Droping test of soft landing gear

3.3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析

火星著陸任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，著陸緩沖機(jī)構(gòu)需考慮多種復(fù)雜地形的著陸工況[11]，因此通過(guò)設(shè)置多種不同的著陸面，分析火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)在不同地形條件上的著陸能力和緩沖效果。仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8所示，設(shè)置了水平地面、斜坡、球形障礙3種典型地形條件。仿真分析和試驗(yàn)的著陸緩沖機(jī)構(gòu)變形姿態(tài)吻合良好。每種工況下能夠觀察到明顯的足墊滑移和拉桿塑性變形，表明著陸緩沖機(jī)構(gòu)在設(shè)定的不同工況下都能按照設(shè)計(jì)預(yù)期正常工作。

圖8 著陸緩沖機(jī)構(gòu)在不同條件下的變形響應(yīng)Fig. 8 Deformation response of the landing gear under different conditions

著陸沖擊載荷峰值、拉桿拉伸長(zhǎng)度在每次試驗(yàn)后進(jìn)行了測(cè)量，并與仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。所有的仿真結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，說(shuō)明仿真模型能夠有效地的預(yù)測(cè)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的性能。著陸沖擊載荷峰值隨著拉桿變形長(zhǎng)度增大而增加，這與TWIP鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相吻合。拉桿的最大拉伸變形試驗(yàn)實(shí)測(cè)為85.0 mm，仿真分析為79 mm，都小于拉桿最大允許拉伸長(zhǎng)度120 mm。這說(shuō)明著陸緩沖機(jī)構(gòu)具有足夠的能量吸收能力。在著陸緩沖機(jī)構(gòu)的作用下，輸入著陸艙的沖擊響應(yīng)載荷受到了限制，低于著陸艙結(jié)構(gòu)能夠承受的沖擊載荷極限。綜合來(lái)看，TWIP鋼拉桿能夠有效地吸收著陸器的沖擊動(dòng)能，在允許的緩沖行程范圍內(nèi)限制輸入著陸艙結(jié)構(gòu)的沖擊載荷，保證著陸安全。

表1 試驗(yàn)和仿真對(duì)比Table 1 Comparison of simulation and testing results

4 結(jié) 論

本文介紹了“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)中采用的TWIP鋼制拉桿吸能的設(shè)計(jì)原理。給出了TWIP鋼微觀組織、高塑性變形機(jī)理及其在不同溫度條件下的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：

1）TWIP鋼與常規(guī)金屬材料相比，極限拉伸應(yīng)力可達(dá)600 MPa，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)72%以上，并且在極端高低溫條件下都能保持優(yōu)良的塑性變形能力，能夠很好地適應(yīng)深空探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)拉桿能量吸收穩(wěn)定性和材料延伸率、環(huán)境適應(yīng)性的苛刻要求。

2）著陸沖擊動(dòng)力學(xué)仿真和著陸沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用基于TWIP鋼材料的拉桿作為緩沖元件，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器著陸緩沖機(jī)構(gòu)能夠在各種復(fù)雜著陸工況下有效地吸收沖擊能量并且保持載荷輸出的穩(wěn)定性。

3）在軌飛行驗(yàn)證表明，TWIP鋼制拉桿保證了“天問(wèn)一號(hào)”等深空探測(cè)器的成功著陸。