嫦娥三號巡視器-著陸器釋放分離過程關(guān)鍵力學(xué)問題分析

鄒懷武，楊文淼，劉殿富，肖 杰，胡震宇

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201108)

0 引 言

嫦娥三號探測器是我國首個(gè)在地球以外天體表面實(shí)施軟著陸的航天器，實(shí)現(xiàn)了探月工程二期“落”的任務(wù)目標(biāo)。嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器月球車兩個(gè)組成部分，兩器釋放分離是整個(gè)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。巡視器采用六輪搖臂式懸架結(jié)構(gòu)，具備適應(yīng)20°斜坡的能力及跨越200 mm高障礙或坑的能力[2]。著陸器通過連接解鎖機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)巡視器的轉(zhuǎn)移與分離，如圖1所示。

探月工程在我國引起了廣泛的關(guān)注與重視，針對著陸器與巡視器的仿真分析開展了大量的研究。文獻(xiàn)[3]對載人月球車移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，并對其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4-6]主要研究輪壤相互作用數(shù)學(xué)模型，采用輪壤作用經(jīng)驗(yàn)公式，對車輪在松軟月面的運(yùn)動(dòng)性能以及爬坡能力開展研究。文獻(xiàn)[7]利用ADAMS軟件建立月球車的三維仿真模型及構(gòu)建相對復(fù)雜地形模型,開展月球車在復(fù)雜地形上的動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到了月球車各部件和整車的動(dòng)力學(xué)特性曲線。文獻(xiàn)[8-9]建立著陸器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，對著陸器著陸的緩沖性能進(jìn)行研究，并針對著陸器軟著陸動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)學(xué)建模與分析方法提出指導(dǎo)性建議。文獻(xiàn)[10-11]采用非線性有限元的方法對月球探測器軟著陸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]針對著陸器發(fā)射階段的惡劣動(dòng)態(tài)環(huán)境，研究著陸器及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)收攏狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。文獻(xiàn)[13]介紹了基于輪地夾角的月球車六輪協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)控制算法并開展動(dòng)力學(xué)建模與仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[14]提出了一種具有高通過性和載荷平臺平穩(wěn)性的新型月球車移動(dòng)系統(tǒng)，并針對通過性能開展相關(guān)分析。文獻(xiàn)[15]采用變換矩陣法建立月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對具有搖臂懸架結(jié)構(gòu)的月球車運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[16]基于ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了月球車遙操作仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了月面行走與探測仿真。

以上文獻(xiàn)大都從著陸器著陸緩沖性能以及巡視器移動(dòng)性能方面開展研究，而巡視器從著陸器上釋放分離是整個(gè)探月任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對巡視器釋放分離全過程進(jìn)行關(guān)鍵力學(xué)分析具有重要的工程實(shí)際意義，該方面的研究尚未有公開文獻(xiàn)發(fā)表。本文針對兩器釋放分離過程，討論了釋放分離過程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和力學(xué)性能主要影響因素，并基于ADAMS軟件，建立兩器釋放分離全過程動(dòng)力學(xué)仿真模型。結(jié)合轉(zhuǎn)移分離相關(guān)試驗(yàn)，開展兩器釋放分離動(dòng)力學(xué)性能分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，分析出巡視器安全分離著陸的邊界姿態(tài)條件及相關(guān)性能，為兩器釋放分離提供理論支撐與依據(jù)。

1 兩器釋放分離過程分析

兩器釋放分離包括壓緊釋放分離、巡視器轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)懸梯、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移、巡視器駛離著陸器四個(gè)過程。兩器釋放分離主要運(yùn)動(dòng)過程以及存在的風(fēng)險(xiǎn)如圖1所示。

圖1中各數(shù)字標(biāo)號為：①轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；②懸梯導(dǎo)軌；③著陸器；④板簧；⑤巡視器本體；⑥主搖臂；⑦副搖臂；⑧差動(dòng)中心；⑨前輪；⑩中輪；后輪；鋼絲繩；復(fù)雜月表地形。

兩器分離四個(gè)環(huán)節(jié)分別有不同的性能要求，存在不同的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗。兩器分離由巡視器和著陸器共同完成，接口及機(jī)理復(fù)雜，著陸器著陸姿態(tài)及巡視器著陸時(shí)的地形存在一定程度的不可預(yù)測性，難以通過試驗(yàn)窮舉模擬。因此，開展兩器釋放分離關(guān)鍵力學(xué)性能主要影響因素分析，并進(jìn)行各種復(fù)雜工況下的動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)研究十分必要。

2 壓緊釋放

月球車釋放彈起由板簧實(shí)現(xiàn)，爆炸螺栓起爆，壓緊板簧將月球車彈起，如果車輪彈起高度過高，超出著陸器側(cè)擋(保護(hù))有傾翻危險(xiǎn)；在月球重力作用下，車輪重新壓上板簧，板簧預(yù)緊力及剛度小，壓緊耳片抬起高度不夠則導(dǎo)致干涉無法移動(dòng)，如圖2。

月球車本體及各車輪的彈起高度受起爆螺栓的時(shí)延與時(shí)差、板簧剛度及阻尼、板簧預(yù)緊力、著陸器平臺傾角影響。彈起降落過程中，主副搖臂鉸接，主搖臂與車體鉸接，是一個(gè)多體動(dòng)力學(xué)過程。車輪耳片與壓緊點(diǎn)高度d與車輪載荷與板簧預(yù)緊力及剛度有關(guān)；車體耳片與壓緊點(diǎn)高度G影響因素更復(fù)雜，既與巡視器受力狀態(tài)相關(guān)，還受差動(dòng)軸的彈性及差動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙(空程)及整車結(jié)構(gòu)彈性影響，差動(dòng)軸剛度呈現(xiàn)一定非線性如圖3所示。

本體相對差動(dòng)中心力矩為

(1)

(2)

前車體耳片間隙：

Δdq=G-θkL1+Δd

(3)

后車體耳片間隙

Δdh=G+θkL2+Δd

(4)

式(1)～式(4)中，m為本體質(zhì)量，g為重力加速度，φ為平臺傾角，d1和d2分別為質(zhì)心與差動(dòng)中心在平臺切向和法向上的距離，θ1為重力矩產(chǎn)生的變形角，θ2為差動(dòng)齒輪回差，θk為總扭轉(zhuǎn)角，k1為差動(dòng)軸剛度，L1和L2分別為差動(dòng)中心與前后車體壓緊耳片在平臺切向上的距離，Δd為月面重力下結(jié)構(gòu)彈性引起的壓縮變形。

板簧的非線性通過分析得到，如圖4所示。板簧兩端釋放扭轉(zhuǎn)自由度，另一端釋放水平方向平移自由度，獲取不同加載力下(板簧受壓狀態(tài))位移。

應(yīng)用ADAMS建立釋放分離過程模型。模型中忽略起爆螺栓的時(shí)延與時(shí)差(時(shí)差2 ms以內(nèi))，考慮板簧預(yù)緊力最大偏差(最大預(yù)緊力210 N，最小預(yù)緊力180 N)及非線性；著陸器頂板單方向最大傾角20°。巡視器彈起狀態(tài)如圖5所示，D代表車輪彈起高度，分析結(jié)果如圖6所示。

分析得到著陸器頂板水平(姿態(tài)角為0°)，且各板簧壓緊力一致時(shí),37 mm≤D≤40 mm， 11.8 mm≤G≤11 mm,d≥ 9.3 mm，該工況安全性較好。著陸器頂板側(cè)傾15°、俯仰-15°，右前輪板簧預(yù)緊力180 N，其它車輪板簧預(yù)緊力為210 N時(shí),31 mm≤D≤76.2 mm(超出側(cè)擋高度)，9.3 mm≤G≤15.3 mm，d≥ 4.89 mm，該工況為最危險(xiǎn)工況。

3 轉(zhuǎn)移過程

轉(zhuǎn)移過程包括巡視器移動(dòng)到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)懸梯導(dǎo)軌上(過程②)及靜止在導(dǎo)軌上跟隨導(dǎo)軌一起轉(zhuǎn)移(過程③)。

巡視器通過車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條嚙合轉(zhuǎn)移到導(dǎo)軌上，克服月面重力分量外，嚙合牽引力還需有一定余量，用于意外情況拉脫電纜接頭(按100 N設(shè)計(jì))，如圖7。嚙合特性由車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條形狀、材料的摩擦特性決定。車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條尺寸過大，移動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致棘爪不能順次卡進(jìn)齒槽中，可能出現(xiàn)棘爪與齒干涉,該情況牽引力只能由摩擦力產(chǎn)生；車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條尺寸過小，可能出現(xiàn)車輪棘爪與導(dǎo)軌齒之間打滑。月球車機(jī)構(gòu)構(gòu)型與質(zhì)量分布也對該過程產(chǎn)生影響，在月面重力、電纜接頭拉力及車輪棘爪牽引力作用下，可能導(dǎo)致中輪翹起而翻車。

在ADAMS中通過接觸力定義車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條作用關(guān)系，調(diào)整著陸器頂板姿態(tài)，并在巡視器上模擬電纜拉力，仿真轉(zhuǎn)移能力。單自由度偏差(俯仰20°)下，最大可提供201 N的牽引力；最大組合偏差(俯仰15°、側(cè)傾15°)下，最大可提供233.6 N的牽引力。

轉(zhuǎn)移過程中巡視器需保持穩(wěn)定不翻倒(不出現(xiàn)車輪翹起失穩(wěn))，且在導(dǎo)軌上靜止不滑移。穩(wěn)定性影響因素包括構(gòu)型尺寸、質(zhì)量分布及車輪與轉(zhuǎn)移導(dǎo)軌的摩擦。巡視器移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，本體因載荷分布，本體等效質(zhì)心出現(xiàn)一定偏差，穩(wěn)定性需滿足該偏差。導(dǎo)軌轉(zhuǎn)移過程中，導(dǎo)軌傾角發(fā)生變化。著陸器平臺初始俯仰20°，導(dǎo)軌剛著地時(shí)，導(dǎo)軌傾角達(dá)到最大為30.6°，兩導(dǎo)軌著地地形高低差200 mm，出現(xiàn)異面，造成4.7°側(cè)傾，如圖8。按照各種初始條件計(jì)算出最嚴(yán)酷的縱向及側(cè)向傾角，作為穩(wěn)定性傾角設(shè)計(jì)條件。

轉(zhuǎn)移過程中穩(wěn)定性受力分析按縱向如圖9和側(cè)傾如圖10開展。θ為平臺傾角，導(dǎo)軌作用于車輪上的法向力Fn和切向力Fτ滿足Fτ=Fntanθ。

縱向各車輪受力：

(5)

(6)

(7)

側(cè)向各車輪受力：

上側(cè)各車輪支撐力較小，前、中、后輪支撐力如下。

(8)

(9)

(10)

(11)

式(8) ～(11)中,Fzyb為主搖臂鉸點(diǎn)與本體沿平臺法向作用力，F(xiàn)yql、Fyhl、Fyhl分別為上側(cè)前輪、后輪、中輪支撐力，Tall為所有質(zhì)量相對下側(cè)車輪與坡面接觸點(diǎn)的力矩，mqzx為前轉(zhuǎn)向質(zhì)量，mzyb為主搖臂質(zhì)量，mzl為中輪質(zhì)量，mfyb為副搖臂質(zhì)量，mhzx為后轉(zhuǎn)向質(zhì)量，mql為前輪質(zhì)量，mzx為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)質(zhì)量，Txti為本體對主搖臂的作用力矩。

在結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，車體質(zhì)心在一定空間范圍內(nèi)變化時(shí)前車輪支撐力(上38°坡，質(zhì)心沿平臺法向高度為634 mm時(shí))如圖11所示，圖中Y為偏離對稱面(紙面法向)的距離。

分析表明，本體質(zhì)心側(cè)向偏移越大，另一側(cè)車輪的支撐力越小，對縱向和側(cè)向穩(wěn)定性都不利；本體質(zhì)心離地越高，對縱向穩(wěn)定性和側(cè)向穩(wěn)定性都不利；本體質(zhì)心離前輪輪心越遠(yuǎn)，對側(cè)向穩(wěn)定性和上坡狀態(tài)的縱向穩(wěn)定性不利，對下坡狀態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定性有利。本體質(zhì)心位置變化范圍為：離前輪輪心(平臺切向)：544 mm～590 mm；偏離對稱面(紙面法向)0 mm～5 mm；離地面高度(平臺法向)：634 mm～654 mm時(shí)，可滿足縱向38°、側(cè)向32°穩(wěn)定。

4 復(fù)雜地形著陸能力分析

月面地形復(fù)雜，著陸時(shí)導(dǎo)軌末端接觸月面，兩根導(dǎo)軌末端地形差異造成兩根導(dǎo)軌高低、傾角不同，出現(xiàn)異面；巡視器駛離導(dǎo)軌運(yùn)行到月面上，遇到各種可能障礙。駛離導(dǎo)軌時(shí)，車輪棘爪與光滑導(dǎo)軌接觸產(chǎn)生牽引力，其摩擦特性決定了轉(zhuǎn)移過程中巡視器在導(dǎo)軌上是否會(huì)滑移；導(dǎo)軌側(cè)擋與車輪接觸使巡視器適應(yīng)導(dǎo)軌傾角及異面的影響；著陸時(shí)車輪與月面通過輪壤作用產(chǎn)生牽引力來通過地形障礙，輪壤作用牽引性能決定其能否通過復(fù)雜地形。

通過車輪導(dǎo)軌齒條試驗(yàn)裝置，測試車輪在不同載荷下車輪輪齒與轉(zhuǎn)移導(dǎo)軌齒條的摩擦特性，如圖12所示。

ADAMS中構(gòu)造典型的復(fù)雜地形，輪壤作用基于Bekker承壓與Janosi剪切理論建立。開展巡視器著陸過程動(dòng)力學(xué)分析，著陸器平臺按極限初始偏差設(shè)置(俯仰15°、側(cè)傾15°)。圖13(a)為平地著陸工況；圖13(b)為單側(cè)下200 mm高障礙工況；圖13(c)為下導(dǎo)軌越200 mm高障礙工況；圖13(d)為下導(dǎo)軌過250 mm深溝工況。

分析表明，巡視器駛離導(dǎo)軌著陸時(shí)可順利下單/雙邊200 mm垂直臺階；可爬過250 mm深溝；單/雙邊越200 mm高障礙。

利用著陸器模擬試驗(yàn)平臺，開展相應(yīng)工況的模擬試驗(yàn)，巡視器本體通過配相同質(zhì)量按吊掛的方式模擬低重力環(huán)境，著陸器模擬平臺通過二維轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向俯仰角及側(cè)傾角的模擬，如圖14所示。

轉(zhuǎn)移過程中導(dǎo)軌角度為31°時(shí)車輪驅(qū)動(dòng)力矩仿真與試驗(yàn)對比如圖15-17所示。圖15(a)、16(a)、17(a)分別為前輪、中輪、后輪力矩仿真曲線，圖15(b)、16(b)、17(b)分別為前輪、中輪、后輪力矩試驗(yàn)曲線，虛線所示為仿真曲線的采樣時(shí)刻。

前輪驅(qū)動(dòng)力矩為2.418 Nm、中輪驅(qū)動(dòng)力矩為0.47 Nm與試驗(yàn)結(jié)果前輪為2.3 Nm，中輪為0.45 Nm比較接近，后輪驅(qū)動(dòng)力矩為0.51 Nm比試驗(yàn)結(jié)果后輪約0.4 Nm略大。

5 結(jié) 論

針對巡視器釋放分離這一探月任務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，首次開展了兩器釋放分離全過程的關(guān)鍵力學(xué)性能及影響因素分析，主要包括壓緊釋放分離的穩(wěn)定性及分離距離、巡視器轉(zhuǎn)移到懸梯導(dǎo)軌的掛鉤牽引力、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移過程的靜態(tài)穩(wěn)定性、復(fù)雜地形下巡視器駛離著陸器著陸能力?；贏DAMS軟件平臺開展兩器釋放分離過程動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)建模與仿真，利用著陸器模擬試驗(yàn)平臺開展轉(zhuǎn)移過程性能試驗(yàn)，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

車體耳片離壓緊點(diǎn)最小高度及車輪棘爪與導(dǎo)軌齒條嚙合力能適應(yīng)著陸器平臺極限姿態(tài)邊界:條件單向正負(fù)20°、組合俯仰正負(fù)15°/側(cè)傾正負(fù)15°。由巡視器穩(wěn)定性方程計(jì)算出巡視器可縱向正負(fù)38°/側(cè)向正負(fù)32°穩(wěn)定，能覆蓋著陸器平臺極限姿態(tài)邊界條件，給出了保持穩(wěn)定的巡視器本體質(zhì)心空間范圍；著陸器平臺極限姿態(tài)邊界條件下巡視器可適應(yīng)復(fù)雜地形，可順利下200 mm垂直臺階、過250 mm深溝、下導(dǎo)軌越200 mm高障礙。

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