“阿波羅”登月艙的軟著陸支架

黃偉

（北京空間機電研究所，北京100076）

1 引言

1969年7月，美國“阿波羅11號”飛船成功實現(xiàn)登月，人類首次踏上了月球。隨后，美國繼續(xù)開展了多次載人登月活動，獲得了大量的月球樣品和科學數(shù)據(jù)，人類對月球的認識由此前進了一大步，月球探測活動取得了極大的成就。

對于每一次登月任務，登月艙的軟著陸支架無疑是最為關(guān)鍵的裝置之一。軟著陸支架能確保登月艙安全平穩(wěn)地降落在月球表面，宇航員得以順利出艙并進行月面探測活動。同時，軟著陸支架還起到月面上升器的發(fā)射架作用，保證航天員攜帶月球樣品可靠地由月面進入環(huán)月軌道，最終安全返回地球家園[1-2]。

2 “阿波羅”登月艙軟著陸支架的指標要求

2.1 著陸支架的結(jié)構(gòu)指標

著陸時登月艙質(zhì)量為7 257kg；軟著陸支架結(jié)構(gòu)設計安全系數(shù)為 1.35；軟著陸支架相關(guān)接頭設計安全系數(shù)為1.5。

軟著陸支架的質(zhì)量，見表1[3]。

表1 軟著陸支架質(zhì)量分布Tab.1 The mass distribution of thelanding gear subsystem

2.2 機構(gòu)的功能要求

軟著陸支架能夠收攏以適應發(fā)射時安裝要求；在發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月軌道階段軟著陸支架呈收攏狀態(tài)，要求能夠可靠鎖定；軟著陸支架要求能夠通過宇航員觸發(fā)指令展開，展開到位后，艙內(nèi)儀表板上有顯示。

2.3 著陸狀態(tài)適應性要求

通過軟著陸支架吸收登月艙著陸時的能量，減小沖擊過載，并確保登月艙不傾覆；著陸沖擊過載≤5gn；平均月面坡度≤6°；能適應的有效坡度≤12°（包含月坑、突起和足墊下陷的影響）；著陸速度包絡，當VV（垂直速度）≤2.1m/s時，VH（水平速度）=1.2m/s，當2.1m/s≤VV≤3.1m/s時，VH=4.1m/s～1.33VVm/s；月壤承載強度，靜態(tài)壓強6.9kPa時，陷入深度不大于101.6mm，動態(tài)壓強82.7kPa時，深度不大于609.6mm；月面摩擦系數(shù)為0.4～1.0（注：事后飛行數(shù)據(jù)表明在0.4左右比較準確）[4-6]。

3 “阿波羅”登月艙軟著陸支架構(gòu)型設計

月球著陸器軟著陸支架一般由3至5組著陸腿組成，每組著陸腿一般由3根支柱組成，1個主承力支柱，2個側(cè)向輔助支柱。支柱的組合方式主要有“倒三角”和“懸臂”兩種形式[3]。

“倒三角”組合形式是主支柱和2個輔助支柱在主支柱內(nèi)筒下端的足墊附近相連接，構(gòu)成三角錐桿系?！皯冶邸苯M合形式是2個輔助支柱在主支柱外筒下端與主支柱連接，主支柱內(nèi)筒單獨與足墊相連，構(gòu)成“懸臂–斜撐”結(jié)構(gòu)。兩種構(gòu)型的示意對比見圖1。

圖1 兩種不同的支柱構(gòu)型方式Fig.1 The two types of landing gear

早期，“阿波羅”登月艙外形為圓柱體形狀，并設計了5條支腿的軟著陸支架，構(gòu)型為“倒三角”式，不具備收攏、展開功能，為固定式方案，見圖 2。對于圓柱體形狀的登月艙，在不考慮收攏展開需求的情況下，經(jīng)過分析，使用5條支腿是綜合質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性等因素較優(yōu)的方案。

圖2 “阿波羅”早期5支腿“倒三角”式軟著陸支架Fig.2 The previous five-legged inverted-tripod-type landing gear of Apollo lunar module

由于,“阿波羅”登月艙主結(jié)構(gòu)由圓柱形改為了十字布局方案，不利于5支腿布置，使用4條支腿方案更為優(yōu)化。為了達到相近的著陸穩(wěn)定性，4支腿方案相比5支腿要求具備更大的展開直徑?；谶\載火箭包絡尺寸的限制，要求4支腿構(gòu)型的軟著陸支架具備收攏、展開能力。經(jīng)過多方案比較后，“阿波羅”登月艙最終選用了4支腿、“懸臂”式構(gòu)型，見圖3。

圖3 “阿波羅”使用“懸臂”式構(gòu)型Fig.3 The cantilever type landing gear of Apollo lunar module

相對于“倒三角”構(gòu)型，“懸臂”式構(gòu)型的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為：由于輔助支柱與“倒三角”式相比，長度大為縮短，所以“懸臂”式著陸腿的質(zhì)量更輕；“懸臂”式構(gòu)型中只有主支柱與足墊連接，故支柱與足墊的連接結(jié)構(gòu)更為簡單，并且避免了著陸緩沖時足墊運動與輔助支柱干涉的可能。

“阿波羅”登月艙在發(fā)射時，軟著陸支架呈收攏狀態(tài)，直到登月艙從環(huán)月軌道開始進入動力下降段時展開，其最大展開尺寸約為9.45m，見圖4。

圖4 “阿波羅”登月艙軟著陸支架展開狀態(tài)Fig.4 The Apollo lunar module w ith the landing gear deployed

4 軟著陸支架各部件的設計方案

4.1 主支柱

主支柱包含內(nèi)筒、外筒等零件，著陸時內(nèi)筒可在外筒內(nèi)運動，外筒上端通過萬向接頭與登月艙主體結(jié)構(gòu)連接，內(nèi)筒下端通過球鉸接頭與足墊連接，主支柱內(nèi)部安裝兩級緩沖鋁蜂窩，緩沖前主支柱長度約為3.1m。主支柱見圖5所示。主支柱材料使用超硬鋁合金制作（接近中國牌號7A09的材料），內(nèi)筒直徑約140mm，上下兩端進行了加厚設計，下端球鉸連接的部位壁厚約3.8mm，上端與外筒交接的部位內(nèi)筒壁厚約6.5mm。外筒內(nèi)壁及內(nèi)筒外壁均涂覆二硫化鉬固體潤滑涂層。主支柱的緩沖行程達到813mm，可以吸收的最大能量約28.7kJ[3]。

圖5 主支柱設計示意圖Fig.5 Landing-gear primary strut

4.2 輔助支柱

輔助支柱也包含內(nèi)筒、外筒等零件。外筒通過1個球鉸接頭與主支柱連接，內(nèi)筒通過1個萬向接頭與展開架連接。輔助支柱內(nèi)部安裝有緩沖鋁蜂窩，其結(jié)構(gòu)設計成具備拉、壓雙向的緩沖吸能功能，如圖6所示。緩沖前輔助支柱長度約為 1.22m，使用硬鋁合金制作（中國牌號 2A12材料），其外筒直徑約為114mm，外筒壁厚0.69mm，內(nèi)筒壁厚0.84mm。在外筒開口部位設置了1個長度約為83mm、厚度約為0.4mm、由聚四氟乙烯材料制成的套筒，以作為對內(nèi)筒的支撐、并減小內(nèi)外筒間相對運動的摩擦力。內(nèi)筒開口部位也設置有類似的支撐套筒。輔助支柱拉伸方向的吸能可達到約7.0kJ，壓縮方向的吸能可達到約 6.1kJ[3]。

圖6 輔助支柱設計示意圖Fig.6 Landing-gear secondary strut

4.3 足墊

足墊用于增大著陸腿與月面的接觸面積，使登月艙著陸能接觸到一定的月面，不受局部坑洞和巖石的影響。足墊由鋁合金外殼以及內(nèi)部的鋁蜂窩組成，直徑約 0.94m，厚度約 0.18m。著陸前，足墊由限制帶固定在主支柱上，防止足墊轉(zhuǎn)動，觸地時限制帶被崩斷，從而解除了對足墊轉(zhuǎn)動的約束，限制帶的拉斷力矩設計為約377N·m。足墊鋁合金外殼的上部厚度為0.2mm～1.3mm，下部厚度為0.2mm～0.4mm，材料為中國牌號2A12[8]。

4.4 展開架

展開架由十字形橫梁及4根側(cè)支桿組成。在軟著陸支架展開狀態(tài)，展開架用于支撐輔助支柱。同時，展開鎖定機構(gòu)安裝在展開架上，展開架在展開機構(gòu)驅(qū)動下由折疊逐漸展開，最后由鎖定機構(gòu)固定住，從而實現(xiàn)整個著陸腿的展開和鎖定功能。展開架由超硬鋁合金制作，接近中國牌號7A04材料[8]。

4.5 收攏和釋放機構(gòu)

為了適應運載火箭的包絡尺寸，軟著陸支架發(fā)射時為收攏狀態(tài)，為此設計了兩種收攏釋放機構(gòu)，分別作用在著陸腿的主支柱和展開架上。第一種收攏釋放機構(gòu)通過火工裝置切斷帶條形式實現(xiàn)。具體為，收攏狀態(tài)下，4組著陸腿的主支柱通過1根鈦合金帶條束縛固定。展開時，由火工裝置切斷鈦合金帶條，4組著陸腿在各自的展開鎖定機構(gòu)作用下運動到展開狀態(tài)并鎖定保持。第二種收攏釋放機構(gòu)為解鎖器的形式。具體為，在收攏狀態(tài)下，每個展開架的側(cè)下支桿通過1個解鎖器與登月艙主體結(jié)構(gòu)連接，每個解鎖器施加約1 557N的束縛力。展開時，解鎖器工作，解除展開架和主體結(jié)構(gòu)的連接約束。解鎖器以及固定主支柱的鈦合金帶條共同作用的約 4 895N的束縛力一起確保了整個軟著陸支架能夠適應發(fā)射、飛行過程中的振動、沖擊條件。著陸腿的收攏、展開狀態(tài)如圖7所示[3]。

圖7 著陸腿收攏、展開狀態(tài)示意Fig.7 Stowed and deployed positions of the landing gear

4.6 展開、鎖定機構(gòu)

展開、鎖定機構(gòu)執(zhí)行兩步動作：通過操縱展開架上的桿件系動作，實現(xiàn)整個著陸腿由收攏到展開；當主支柱展開到位后，通過對展開架的限位和固定，實現(xiàn)對整個著陸腿的鎖定。著陸腿的展開、鎖定過程見圖8所示[9]。

圖8 展開、鎖定機構(gòu)及其展開過程Fig.8 Deployment and downlock mechanism, and the deployment process

展開機構(gòu)由蝸卷簧和驅(qū)動連桿組成，蝸卷簧采用不銹鋼帶制成，表面有固體潤滑涂層，驅(qū)動連桿系分別連接到登月艙主體結(jié)構(gòu)和展開架側(cè)下的方支桿，蝸卷簧一端連接驅(qū)動連桿，另一端與安裝在主體結(jié)構(gòu)上的卷軸連接。在著陸腿收攏狀態(tài)，蝸卷簧呈拉伸狀態(tài)儲蓄能量。釋放后，蝸卷簧收縮并帶動驅(qū)動連桿動作，展開架轉(zhuǎn)動并展開整個著陸腿。

鎖定結(jié)構(gòu)由彈簧作動的鎖鉤、支撐凸輪等零件組成。當著陸腿為收攏狀態(tài)時，鎖鉤上的圓銷位于凸輪上部，被凸輪限制了鎖鉤的運動，鎖鉤呈張開狀態(tài)。著陸腿展開時，凸輪旋轉(zhuǎn)，展開到位后鎖鉤上的圓銷失去凸輪上表面的支撐，彈簧作動筒即推著鎖鉤轉(zhuǎn)動，鎖鉤落下并鉤住展開架側(cè)上方支桿端部的滾軸，從而鎖定整個機構(gòu)。

展開架兩邊支桿均鎖定后，觸發(fā)登月艙內(nèi)的指示信號，表明著陸腿展開鎖定動作執(zhí)行完成。此外，在鎖定機構(gòu)的鎖鉤、展開架上側(cè)桿端部等部位涂有紅色的條紋，如果著陸腿展開鎖定工作正常，紅色條紋形成連續(xù)的直線，以此作為宇航員判斷軟著陸支架是否正常展開的輔助手段[3]。

4.7 觸桿高度器

除了安裝宇航員進出登月艙架梯的1條著陸腿之外，其余3組著陸腿上均在足墊下方安裝了1根長度約為1.7m的觸桿高度器，用于感知著陸前登月艙離月面的高度，并指示宇航員及時關(guān)閉下降發(fā)動機。觸桿高度器包括觸桿、展開機構(gòu)以及電路開關(guān)裝置。當?shù)窃屡撝憰r，觸桿端部接觸月面，電路開關(guān)裝置觸發(fā)，登月艙內(nèi)有2組藍色指示燈點亮。

觸桿使用2A12鋁合金制成，直徑約32mm，由活動部件和固定部件兩部分通過鉸鏈連接，并通過和主支柱收攏、釋放裝置聯(lián)合作動的彈簧鎖鉤裝置實現(xiàn)鎖定。在觸桿活動部件和固定部件的結(jié)合部位繪制綠色線條，以作為判斷觸桿展開鎖定到位的標志。電路開關(guān)裝置內(nèi)部安裝有并聯(lián)的 2組簧片動作開關(guān)，使得觸桿受到7kPa壓強即發(fā)出觸月信號。軟著陸支架3組著陸腿的觸桿高度器各自獨立，從而保證了觸月信號具備較高的可靠性[3]。

4.8 鋁蜂窩

“阿波羅”登月艙軟著陸支架的緩沖元件使用鋁蜂窩。鋁蜂窩具有較低的密度，較高的比模量、比強度以及優(yōu)良的耐熱性和抗腐蝕性。鋁蜂窩的緩沖性能具有各向異性、沿蜂窩芯子軸線方向的緩沖力非常穩(wěn)定，即其緩沖曲線具備“平臺”特性，承載能力基本維持在一定水平上作不大的波動[7]。典型的壓縮前后的鋁蜂窩如圖9所示。

圖9 鋁蜂窩Fig.9 The honeycomb

“阿波羅”登月艙軟著陸支架共使用了5種規(guī)格的鋁蜂窩，其緩沖行程及緩沖力參數(shù)見表2。

表2 “阿波羅”登月艙軟著陸支架緩沖元件性能參數(shù)Tab.2 Theperformance parameters of Apollo landing gear attenuation component

5 飛行試驗結(jié)果

“阿波羅9號”、“阿波羅10號”驗證了軟著陸支架在空間展開鎖定的性能。在“阿波羅11號”飛行之前，對軟著陸支架進行了大量的仿真分析和試驗驗證，尤其是針對最終緩沖性能開展了1/6尺寸模型的沖擊試驗以及多次全尺寸模型在模擬1/6重力的斜面上的著陸緩沖及穩(wěn)定性試驗，表明軟著陸支架的性能能夠滿足各項指標要求[5]。

在“阿波羅11號”落月時，登月艙的最終著陸速度很低，其垂直著陸速度約為0.5m/s，水平著陸速度約為0.6m/s。據(jù)宇航員報道，登月艙著陸時幾乎沒有搖晃不穩(wěn)的感覺。根據(jù)事后分析，軟著陸支架的主支柱發(fā)生的緩沖行程很小，4組著陸腿均在25mm以內(nèi)；輔助支柱基本發(fā)生的都是拉伸方向的緩沖，最大的行程為100mm左右；緩沖后登月艙底部的發(fā)動機裙邊距月面高度約為343mm（如不發(fā)生緩沖，該距離為483mm）。后續(xù)的“阿波羅12號”“阿波羅14號”至“阿波羅17號”登月艙落月時軟著陸支架均未遇上苛刻的工況，工作均很正常，狀態(tài)良好[10]。

6 對我國載人登月軟著陸支架設計的建議

綜合上文所述，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設計有以下特點：

1）“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設計考慮了月坡、月石、較大的著陸速度等惡劣工況，緩沖能力及著陸穩(wěn)定性具備較大的設計裕度，可靠性高。

2）設計采用4組“懸臂”式著陸腿、可收攏展開的構(gòu)型，是充分考慮質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性、運載器包絡要求、各種惡劣工況條件等因素的綜合優(yōu)化結(jié)果。

3）采用鋁蜂窩作為緩沖元件，其吸能效率高、質(zhì)量輕，對于一次性使用的登月艙軟著陸支架是較為有效、可靠且簡單的方法。

4）采用彈簧驅(qū)動方式的展開鎖定機構(gòu)，相對于電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、火工作動等方式，系統(tǒng)設計較為簡單，且能夠相對獨立。其關(guān)鍵問題是要解決機構(gòu)的運動優(yōu)化，不能出現(xiàn)干涉和死點，必須保證機構(gòu)的重復運行精度。

結(jié)合以上“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設計特點以及其研制過程中的方案變更情況，對我國載人登月軟著陸支架設計提出以下建議：

1）載人登月艙軟著陸支架的設計與無人登月情況有很大不同，必須結(jié)合載人登月艙的總體構(gòu)型進行設計，尤其是選擇著陸腿數(shù)量、布局以及軟著陸支架構(gòu)型時，需結(jié)合登月艙的結(jié)構(gòu)形式進行分析確定。

2）進行載人登月艙軟著陸支架的設計需要充分考慮各種因素的影響，包括月坡、月石、月壤等不同的月面環(huán)境，以及航天員的生理過載安全承受能力、登月艙的著陸速度包絡以及運載火箭尺寸包絡等。

3）展開鎖定機構(gòu)、緩沖元件、主輔支柱等部件的設計是軟著陸支架的關(guān)鍵部分，有必要借鑒“阿波羅”登月艙軟著陸支架等成功經(jīng)驗，詳細調(diào)研分析當前相關(guān)材料等基礎技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，進行充分的方案論證和比較，即對于這些關(guān)鍵部分的設計需要從材料等基礎方面開展深入研究。

4）確定載人登月軟著陸支架設計的最終狀態(tài)應充分結(jié)合模擬月球環(huán)境下的載人登月月球軟著陸支架驗證試驗以及軟著陸支架緩沖過程的動力學及運動穩(wěn)定性仿真分析。尤其對于載人登月艙，由于其質(zhì)量量級大，在地面進行模擬月球環(huán)境試驗實施難度非常大且周期很長，有必要開展1/6尺寸模型的沖擊試驗，以修正仿真模型，減少全尺寸試驗的次數(shù)。

7 結(jié)束語

綜上所述，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設計考慮了月面環(huán)境、著陸速度、運載包絡等多種因素，并是充分結(jié)合了登月艙總體結(jié)構(gòu)形式確定的設計方案。通過仿真分析、試驗驗證的情況來看，“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設計是非常成功的，對于我國載人登月重大工程的方案論證值得仔細研究和借鑒。

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