科学家研制腿式小天体着陆机构用于着陆模拟和实验测试

稳定着陆是小天体原位探索的前提。小天体表面重力弱且不规则，表面环境未知且不确定。着陆机构容易反弹、翻转，着陆稳定时间长。然而，月球和火星表面存在差异，目前大多数着陆性能研究都集中在月球着陆上。因此，研究不同条件下的着陆性能，分析着陆稳定性边界，提出合理的着陆建议，对支撑我国小天体探测具有重要意义。近日，北京航天器系统工程研究所、哈尔滨工业大学、米兰理工大学的研究人员在《Space: Science & Technology》发表研究文章，建立了不同着陆条件下着陆机构的仿真模型，分析了着陆机构的灵敏度。影响着陆性能的关键参数，并通过实验测试验证模拟的正确性，为着陆机构在小天体上稳定着陆提供建议。

首先，作者简要介绍了着陆机制和着陆模拟。模拟中使用的小天体着陆机构包括着陆脚、着陆腿、万向元件、阻尼元件、设备底座等(图1)。在模拟中，考虑两种情况，即(1)着陆机构朝着陆坡度着陆且V x > 0和(2)着陆机构远离着陆坡度着陆且V x < 0。在每种情况下，根据着地脚与着地坡面的接触顺序，分为三种着地方式，即(a)1-2着地方式、(b)2-1着地方式、(c)1-1-1着地方式(具有 30° 偏航角)。对于两种模拟场景中的所有着陆模式，着陆机构翻转都被后向火箭阻止，并且着陆脚没有滑动。详细着陆性能总结如表1所示。设备底座最大过载加速度小于10 g，着陆稳定时间小于4 s。表明该着陆机构在不同着陆条件下均能安全着陆。另外，当V x > 0时，可以看出，2-1模式在三种模式中具有最好的着陆性能，并且1-2和1-1-1模式的着陆性能相似。当V x < 0时，2-1模式的着陆性能最好，1-2模式一般，1-1-1模式最差。

其次，分析了影响着陆性能的关键因素。(1) 万向元件阻尼 ( c 2 )。与常数c 2 相比，当c 2变化时，着陆稳定时间显着缩短，过载加速度减弱。当c 2 变化时，该着陆机构具有更好的着陆性能。(2) 脚锚。脚锚影响着陆脚和着陆表面之间的摩擦系数。滑移会导致着陆机构远离着陆点，从而影响锚固系统的锚固效果。着陆机构与着陆面之间的摩擦力应较大，以避免着陆机构滑动。由于高摩擦力而导致的着陆机构翻转可以通过反火箭推力来消除。因此，在着陆机构上设计脚锚是有帮助的，因为它可以穿透着陆表面并防止或减弱着陆机构的滑动。(3) 火箭后推力。火箭后推力可以防止着陆机构弹跳或转动，从而有助于着陆成功。(4) 着陆坡度。倾斜角越大，着陆腿转弯角速度越大，着陆稳定时间越长。坡度角度对设备底座超载加速度影响不明显。因此，应选择坡度较小的着陆面，以减少着陆稳定时间。(5)着陆姿态。着陆机构在允许着陆速度内以不同着陆姿态着陆时，最大过载加速度小于10g，着陆稳定时间小于5s。着陆性能良好。当偏航角为60°时(即2-1着陆方式)，着陆机构过载加速度最小，着陆稳定时间最短，着陆性能最好。

然后通过试验验证了仿真模型的有效性。这些测试是在气浮平台上进行的。着陆加速度由加速度传感器测量。着陆机构的着陆姿态和传感器位置如图 2 所示。 30°斜坡上以 1-2 模式、1-2 模式和 1-1-1 模式着陆的测试为分别进行。这些着陆模式和速度被导入到仿真模型中。比较了测试和模拟之间的着陆性能。仿真得到的设备底座的过载加速度与试验得到的接近，且仿真结果略大于试验。这是由于着陆机构的机械柔性，在试验中会产生柔性变形，吸收部分冲击载荷。仿真和试验中着陆腿翻转角速度和翻转角度的变化比较一致。但在1-2模式下约0.7至2.5秒之间的时间，在2-1模式下约0.5至2秒之间的时间，以及在1-1-1模式下的同时过程中，测试中的着陆腿翻转角度较小比模拟中的要好。原因是试验中着陆面为硬木，脚锚未能穿透硬木，导致着陆机构出现轻微滑移。另外，发现2-1着陆方式的稳定时间最短，且超载加速度与着陆方式之间没有明显的关系。

最后，作者得出结论，以下方法有助于提高着陆性能：(a)三腿着陆机构应优先选择2-1着陆模式。(b) 根据着陆情况可调阻尼，有助于提高着陆稳定性。(c) 脚锚可以减少着陆滑移并缩短着陆稳定时间。(d) 着陆机构顶部的后退火箭可以减弱或防止着陆时的反弹。(e) 着陆机构应优先在平坦区域着陆。

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