月球取樣返回器分離阻力分析與地面分離試驗(yàn)驗(yàn)證

李海飛，王剛，徐世峰，雷文仿，張麗麗

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月球取樣返回器分離阻力分析與地面分離試驗(yàn)驗(yàn)證

李海飛1，王剛1，徐世峰2，雷文仿2，張麗麗2

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

探月工程三期研制的月球取樣返回器與軌道器間采用導(dǎo)向裝配方式，裝配后存在一定預(yù)應(yīng)力，同時在軌兩器分離時受空間環(huán)境作用而出現(xiàn)熱變形，引起的分離阻力會對兩器的正常分離產(chǎn)生影響。文章對返回器與軌道器的分離阻力進(jìn)行分析和測量，并開展相關(guān)地面分離驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，在軌環(huán)境引起的分離阻力約為366N，地面裝配應(yīng)力引起的分離阻力約為160N，兩器分離速度約為0.24m/s。研究結(jié)果可為軌返兩器的分離設(shè)計(jì)提供參考。

探月工程三期；取樣返回器；分離阻力；有限元分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

探月工程三期將執(zhí)行月球軟著陸，并在月球表面采集月壤樣本后返回地球，實(shí)現(xiàn)我國首次地外天體取樣返回。這對于促進(jìn)我國深空探測的發(fā)展具有重要意義[1]。安全回收月壤樣品是探月工程三期最重要的目標(biāo)，返回器在軌完成樣品的轉(zhuǎn)移、接收、固定后，返回器與軌道器組合體進(jìn)入月-地轉(zhuǎn)移軌道，在組合體到達(dá)分離點(diǎn)時，兩器分離，其后返回器采用半彈道跳躍方式再入返回地球[2]。軌返兩器能否正常分離是確保采集的月球樣品成功回收的一個重要環(huán)節(jié)，關(guān)乎探月工程三期月球采樣任務(wù)能否圓滿完成。

目前針對航天器分離阻力研究的公開資料很少，本文對返回器與軌道器的裝配情況進(jìn)行理論分析，建立兩器裝配的有限元模型，計(jì)算分離的最大摩擦阻力，并開展地面分離驗(yàn)證試驗(yàn)，獲取分離時的運(yùn)動特性，為分離機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 裝配接口設(shè)計(jì)

返回器安裝在軌道器中部，通過4套連接解鎖裝置實(shí)現(xiàn)兩器的連接與解鎖。返回器大底底部設(shè)置4根鈦管，軌道器端框上設(shè)置鈦管及連接解鎖裝置的接口，4套連接解鎖裝置將返回器上的鈦管與軌道器端框連接起來，實(shí)現(xiàn)兩器的連接。鈦管的外部安裝有支撐套筒，以保證艙段間的連接強(qiáng)度和剛度[3]。返回器與軌道器間的連接情況如圖1所示。

返回器鈦管一端為球面，軌道器端框相應(yīng)接口為錐孔和圓孔。兩器對接時，在對應(yīng)的錐面引導(dǎo)下，鈦管的球面導(dǎo)入圓孔中，直到二者的端面接觸為止。返回器鈦管的球面與圓孔側(cè)面為線接觸，鈦管同時擔(dān)負(fù)導(dǎo)向、定位、承受并傳遞載荷的功能。鈦管及端框上相應(yīng)接口如圖2所示。

圖1 返回器與軌道器連接示意

圖2 鈦管與端框接口

鈦管球面的橫向尺寸為-0.4 -0.6mm，位置度0.6；對應(yīng)鈦管安裝孔尺寸為0.046 0mm，位置度0.15。不考慮位置度，研究單個鈦管與端框的裝配形式，如圖3所示。鈦管球面和對應(yīng)安裝孔之間的單邊間隙量為，那么上述設(shè)計(jì)狀態(tài)下對中裝配時的間隙量為0.2～0.323mm；相切裝配時最大間隙量為0.4～0.646mm，最小間隙量為0mm。即裝配時的單邊間隙量為0～0.646mm。

圖3 不考慮位置度時鈦管與端框裝配形式

考慮位置度的影響，如圖4所示。鈦管球面和對應(yīng)安裝孔之間的單邊最大干涉量為0.175mm。在此狀態(tài)下裝配，必然會產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)彈性變形，形成裝配應(yīng)力。

圖4 考慮位置度時鈦管與支架裝配形式

在兩器實(shí)際對接過程中，操作人員通過肉眼觀察并控制、調(diào)整鈦管與對應(yīng)安裝孔之間的相對位置關(guān)系，難以完全避免4個鈦管與各自對應(yīng)的安裝孔之間的相互擠壓，從而形成相應(yīng)的擠壓力。

2 分離阻力分析與測量

裝配擠壓力的出現(xiàn)將導(dǎo)致兩器分離時，即鈦管球面由對應(yīng)圓孔脫離過程中的摩擦阻力。另外，在空間溫度環(huán)境的影響下，結(jié)構(gòu)的變形會使該摩擦力進(jìn)一步增大。該摩擦阻力即為兩器的分離阻力，它的存在會影響返回器的分離姿態(tài)。在Patran中建立返回器與軌道器間分離阻力分析模型，如圖5所示，該模型包括返回器本體、鈦管和軌道器端框。返回器鈦管采用殼單元模擬，上端通過MPC連接到大底端框上，下端連接到軌道器端框上[4]。

圖5 返回器分離阻力分析模型

2.1 地面裝配應(yīng)力分析

分別對鈦管和軌道器端框連接處施加朝中心方向的1000N作用力，分析得出返回器鈦管最大變形約為0.115mm，軌道器端框變形約為0.149mm，參見圖6。由此進(jìn)行換算，在總干涉量為0.175mm時，返回器鈦管與端框之間裝配應(yīng)力約為660N，鈦管變形約為0.075mm，軌道器端框變形約為0.100mm。假設(shè)摩擦因數(shù)為0.2，則地面裝配過程引起的兩器分離面之間的最大分離阻力為132N。

圖6 1000N 應(yīng)力作用下返回器鈦管及軌道器端框變形云圖

2.2 在軌環(huán)境應(yīng)力分析

通過對兩器分離時的溫度場分析可知，分離面溫度分布存在3種工況，具體見表1。

表1 返回器與軌道器分離時刻溫度

將溫度場賦予有限元分析模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱變形分析，結(jié)果如表2和圖7所示。

表2 熱變形分析結(jié)果

圖7 軌返分離面的剪切力及變形

由表2可見，在空間溫度環(huán)境作用下，返回器鈦管安裝處的橫向最大受力為1830N（最大變形量約為0.46mm），按摩擦因數(shù)0.2計(jì)算，由溫度環(huán)境引起的兩器分離阻力約為366N。

2.3 地面分離阻力測量

返回器分離阻力測量方案如圖8所示。將軌道器端框固定到工裝上，起吊返回器，在起吊過程中通過力傳感器得到分離時最大拉力1和起吊分離平穩(wěn)后的拉力2，則地面裝配狀態(tài)下的分離阻力=1?2。

圖8 地面分離阻力測量方案

地面分離阻力測量共進(jìn)行了5次，測量及計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。由表3可得平均分離阻力約為160N，與地面裝配應(yīng)力引起分離阻力的分析結(jié)果相符。

表3 分離阻力測量及計(jì)算數(shù)據(jù)

3 地面分離試驗(yàn)驗(yàn)證

返回器與軌道器間采用4套火工鎖實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接和解鎖，同時通過4套彈簧分離推桿實(shí)現(xiàn)兩器的分離。

3.1 試驗(yàn)原理

返回器與軌道器地面分離試驗(yàn)采用吊掛配平分離方案。試驗(yàn)前將兩器組合體豎直停放，返回器通過吊具與滑輪配重系統(tǒng)相連，軌道器停放在工裝臺架上，設(shè)計(jì)配重質(zhì)量以保證分離面不受力。試驗(yàn)時連接解鎖裝置起爆，分離彈簧工作，推動吊掛的返回器向上運(yùn)動，通過相應(yīng)的儀器或裝置完成沖擊響應(yīng)、分離速度等參數(shù)的測量，并采取相應(yīng)措施使返回器的速度減為0。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

兩器分離試驗(yàn)系統(tǒng)主要由返回器模擬件、軌道器模擬件、返回器吊具、工裝臺架、火工裝置發(fā)火控制裝置、沖擊響應(yīng)參數(shù)測量與處理設(shè)備、高速攝像機(jī)、分離運(yùn)動參數(shù)測量與處理設(shè)備、“失重”模擬試驗(yàn)平臺等組成。試驗(yàn)平臺采用吊掛配平法模擬空間無重力狀態(tài)，使分離面不受力，如圖9所示[5]。試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度應(yīng)具有承受試驗(yàn)件解鎖分離試驗(yàn)引起的靜、動載荷的能力。

圖9 軌返分離試驗(yàn)系統(tǒng)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

返回器與軌道器分離試驗(yàn)中，利用4臺高速攝像機(jī)對分離過程進(jìn)行拍攝，結(jié)果顯示：分離過程中返回器與軌道器無干涉現(xiàn)象；對高速攝像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的返回器位移、速度曲線如圖10所示。由速度曲線可見返回器分離速度約為0.25m/s。

圖10 軌返分離試驗(yàn)曲線

4 結(jié)果分析

在分離試驗(yàn)系統(tǒng)配平狀態(tài)下，認(rèn)為分離過程摩擦阻力已被配重平衡，分離彈簧勢能完全轉(zhuǎn)化為運(yùn)動體的動能，則有：

其中：為運(yùn)動體質(zhì)量；為運(yùn)動體速度；為分離彈簧總剛度；2為分離前分離彈簧最大壓縮量；1為分離完成時分離彈簧的剩余壓縮量；max為最大分離推力。結(jié)合分離試驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)，可得返回器分離速度的理論值為0.33m/s，與測量值0.25m/s存在一定偏差。

經(jīng)分析認(rèn)為，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值出現(xiàn)偏差主要與試驗(yàn)系統(tǒng)中的吊繩剛度偏低有關(guān)：返回器吊具有較長的豎直吊繩，且返回器質(zhì)量較小，與軌道器分離時返回器吊具豎直吊繩上的拉力顯著減小且不能得到迅速補(bǔ)償，因此從分離過程的積分效果來看，分離彈簧的部分能量被吊掛艙段的殘余重力所消耗，從而導(dǎo)致返回器與軌道器分離速度的試驗(yàn)值相對于理論計(jì)算值偏小。

在進(jìn)行分離彈簧能力max的設(shè)計(jì)時，為了確保返回器與軌道器在軌分離指標(biāo)滿足要求，需要充分考慮分離阻力的影響，可以將文中的裝配阻力（取160N）和在軌環(huán)境引起的分離阻力（366N）作為分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的迭代條件。

5 結(jié)束語

本文對探月工程三期月球探測器的返回器與軌道器的裝配尺寸鏈進(jìn)行了分析，建立了兩器分離阻力分析的有限元模型，對兩器分離阻力開展了分析和測量，同時采用吊掛配平分離方案開展了兩器間地面艙段分離驗(yàn)證試驗(yàn)。研究結(jié)果為器間分離機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)，同時可作為同類航天器分離面設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)的參考和借鑒。

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（編輯：張艷艷）

Analysis and terrestrial verification of separation resistance of lunar sampling & re-entry capsule

LI Haifei1, WANG Gang1, XU Shifeng2, LEI Wenfang2, ZHANG Lili2

(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering; 2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The reentry capsule in the third phase of China lunar exploration program is assembled with the orbital module in the guided mode, with a little prestress between two modules after the assembly. Because of the space environment, there is some resistance during the separation, which will affect the normal separation of the two modules. In this paper, an FEM analysis is made of the separation resistance, as well as the terrestrial verification, as a reference for the separation design.

the 3rd phase of China lunar exploration program; sampling & re-entry capsule; separation resistance; finite element analysis; test validation

V416; TB115

A

1673-1379(2017)06-0662-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.015

李海飛（1987—），男，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)技術(shù)。E-mail: lihaifei0anhui@sina.com。

2017-07-03；

2017-11-23

國家重大科技專項(xiàng)工程