馮羿飛，李丹怡，秦浩，胡汝潔，張延坤，賈山

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

對(duì)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(cè)器，取得了確定目標(biāo)小天體精密軌道、物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等一系列成果[2]。為了更深入了解小行星，需要對(duì)小行星表面樣本進(jìn)行分析，而要實(shí)現(xiàn)表面采樣目的, 探測(cè)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(wù)帶來了很大的困難。實(shí)際上，目前僅有歐空局發(fā)射的“菲萊”號(hào)使用緩沖裝置登陸能夠到小天體表面，但因沒有重復(fù)著陸的能力，最終也導(dǎo)致其著陸失敗[4]。可見，為了順利完成星表的采樣任務(wù)，需要讓探測(cè)器克服小行星特殊的著陸環(huán)境，穩(wěn)定地完成著陸?？梢哉f，著陸緩沖過程關(guān)系整個(gè)任務(wù)的成敗。也正因如此，對(duì)著陸附著機(jī)構(gòu)的研究具有重要的意義，設(shè)計(jì)并制造能適應(yīng)小行星表面環(huán)境的著陸緩沖裝置將大大提高探測(cè)任務(wù)完成的成功率。本文將為一種針對(duì)長(zhǎng)期附著方案提出的著陸附著機(jī)構(gòu)建立虛擬樣機(jī)模型，使用該模型模擬小行星著陸任務(wù)完成落震動(dòng)力學(xué)仿真，并依據(jù)仿真結(jié)果評(píng)估這一附著機(jī)構(gòu)的性能。

1 仿真環(huán)境及指標(biāo)分析

小型天體的附著機(jī)構(gòu)與月球、火星探測(cè)使用的著陸緩沖機(jī)構(gòu)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(cè)任務(wù)的難點(diǎn)所在，同時(shí)也是附著方案選擇、附著機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該克服的要點(diǎn)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(cè)對(duì)象是一個(gè)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(jì)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(gè)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(huì)進(jìn)入環(huán)繞軌道；如果大于逃逸速度，著陸器甚至?xí)[脫小行星引力，飛離目標(biāo)星體。這就要求緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)橫向動(dòng)能有較好的吸收能力。

對(duì)于一般的緩沖機(jī)構(gòu)，在反推動(dòng)力按壓下足墊與星體表面的摩擦是主要吸收橫向動(dòng)能方式。本文的仿真中，足墊與地面之間的動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.7。

此外，緩沖機(jī)構(gòu)應(yīng)發(fā)揮保護(hù)探測(cè)器內(nèi)部?jī)x器的功能，防止其受到過大沖擊而損壞。為達(dá)到這一要求，一般認(rèn)為落震過程中豎直方向和水平方向的最大過載響應(yīng)均不得超過3g[8]。

2 附著方案分析

本文研究的附著機(jī)構(gòu)是針對(duì)長(zhǎng)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(shì)在于降低了對(duì)導(dǎo)航和姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求，并且由于長(zhǎng)期固定于星體表面，故不需要設(shè)計(jì)特殊的采樣機(jī)構(gòu)，可以使用傳統(tǒng)的鉆探機(jī)構(gòu)采集更深層的樣本。同時(shí)，使用長(zhǎng)期附著方案，采樣完成后有足夠的時(shí)間當(dāng)場(chǎng)對(duì)樣本進(jìn)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(fù)探索更多星體。

此外，接觸反彈方案和盤旋附著方案對(duì)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(zhǎng)期附著方案允許附著速度達(dá)到1～2 m/s，相應(yīng)的，這種方案需要行之有效的緩沖裝置。

3 虛擬樣機(jī)建模

3.1 附著系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，這種附著系統(tǒng)的著陸緩沖機(jī)構(gòu)為三足式。每足安裝有一個(gè)主緩沖器，主要吸收垂直方向的動(dòng)能，另外每足通過球鉸連接有兩個(gè)副緩沖器，能夠有效吸收水平方向的動(dòng)能。副緩沖器通過展開鎖定機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)，有利于提高整個(gè)構(gòu)型的穩(wěn)定性。

圖1 小行星附著器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組成。著陸時(shí)，附著器與小行星相撞產(chǎn)生的沖擊時(shí)，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(dòng)能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖

建立虛擬樣機(jī)模型時(shí)，在內(nèi)筒與外筒之間會(huì)添加摩擦系數(shù)和一個(gè)較大的預(yù)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(yùn)動(dòng)副設(shè)置

本文研究的是附著機(jī)構(gòu)著陸過程中的動(dòng)力學(xué)特性，而對(duì)著陸腿展開這一過程沒有影響。為了最大程度簡(jiǎn)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(duì)可以活動(dòng)的、傳遞運(yùn)動(dòng)的連接，添加與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。

運(yùn)動(dòng)副中除了緩沖器內(nèi)外筒之間的滑動(dòng)副需要預(yù)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(huì)不受控制地轉(zhuǎn)動(dòng)。所以足墊與球鉸之間需要添加摩擦系數(shù)和一定預(yù)緊力，以期足墊能夠穩(wěn)定活動(dòng)。

完成全部運(yùn)動(dòng)副添加后，根據(jù)已有的小行星探測(cè)器參數(shù)，將主體部分質(zhì)量設(shè)定為450kg。設(shè)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(shè)置足墊與地面間的接觸關(guān)系，調(diào)整接觸深度、剛度、摩擦系數(shù)等參數(shù)，完成整個(gè)虛擬樣機(jī)的建模。虛擬樣機(jī)整機(jī)如圖3所示。

圖3 虛擬樣機(jī)模型

4 落震仿真結(jié)果及分析

為簡(jiǎn)化問題，落震仿真是基于以下幾點(diǎn)假設(shè)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(gè)別會(huì)影響仿真效果的約束，各運(yùn)動(dòng)副理想光滑；

3)地面具有較大剛度，不會(huì)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(jī)模型的建立。在本節(jié)中，將基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)求解器，對(duì)建好的模型進(jìn)行落震仿真，輸出著陸過程中附著器關(guān)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(jī)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際小行星探測(cè)的可行性。

首先，為附著器賦予一個(gè)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?，在落地之后，附著器依然具有一個(gè)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(jī)構(gòu)，由此可見，這一構(gòu)型對(duì)橫向動(dòng)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(yīng)情況?？梢钥闯?，附著器受到的最大過載不到1.2g，遠(yuǎn)小于要求的3g，說明搭載的儀器設(shè)備是非常安全的，甚至可以考慮安裝更精密的設(shè)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(dǎo)航和姿控系統(tǒng)不夠精確時(shí)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?？梢钥闯?，主要承擔(dān)吸收縱向沖擊的主緩沖器受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)果說明主緩沖器應(yīng)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(shè)置一個(gè)更大的初始速度，探究附著機(jī)構(gòu)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(gè)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(jié)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(chǔ)上，添加一個(gè)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(jié)果如圖7-圖8所示?？梢钥吹?，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(dá)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(jié)語

針對(duì)一種新型的小行星附著機(jī)構(gòu)建立了虛擬樣機(jī)模型，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行了落震仿真，得到的結(jié)果顯示：這種構(gòu)型具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，能夠?qū)⒅戇^載控制得非常小，并且具備良好的橫向動(dòng)能吸收能力，能有效降低著陸后的殘余速度。同時(shí)，仿真中得到的關(guān)鍵位置力學(xué)參數(shù)對(duì)后續(xù)的著陸構(gòu)型設(shè)計(jì)、緩沖裝置選擇也有一定的參考價(jià)值。