小行星著陸附著系統(tǒng)彈射機構(gòu)設(shè)計

韓言勛 楊昭

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

小行星探測是當(dāng)今深空探測的前沿課題之一，可以為太陽系的形成及演化過程提供線索，對研究地球上的生物起源有重要指導(dǎo)意義[1]；其稀缺物質(zhì)資源可能成為未來開發(fā)和利用的寶庫。借助科學(xué)探測儀器，可以對地外星體進行更全面的探測。目前對小行星探測的方式有地面觀測、軌道器探測[2]、取樣返回研究[3]等，這些方式對小行星特性的了解逐漸加深和全面，但都有其局限性，即不能實現(xiàn)小行星的本地探測研究。從國外深空探測技術(shù)發(fā)展來看，著陸探測是最直接有效的探測模式[4]，可以為將來小行星的開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

著陸探測的首要任務(wù)是將探測器固定在小行星上，其解決方法是在著陸器上設(shè)計一種裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)著陸器在小行星表面的錨固，被稱為錨裝置。目前小行星的著陸器探測剛起步，但彗星的著陸器探測已在進行中，最為著名的是ESA的Rosetta彗星著陸器[5]，其于2004年發(fā)射，其上安裝有兩個完全相同的錨系統(tǒng)[6]，分別為主錨和副錨，副錨起備份作用；NASA的ST4/Champollion彗星探測器也曾計劃對Templel彗星進行著陸探測，ST4著陸器設(shè)計了兩種方案，方案一的著陸器為三腿式結(jié)構(gòu)，每個著陸腳上分別設(shè)計有一個錨系統(tǒng)，錨系統(tǒng)采用火工驅(qū)動，通過在著陸器與小行星表面之間建立線繩連接而將著陸器固定[7]；方案二的著陸器末端有一個大的著陸腳，其上設(shè)計有伸縮套管式的錨系統(tǒng)，其動力采用火工驅(qū)動[8-9]。

國內(nèi)對小行星和月球等深空探測的著陸研究也在如火如荼的進行中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4,10-11]，南京航空航天大學(xué)[12]，中國空間技術(shù)研究院[13]及其他的研究院所[14-15]對小行星和月球的著陸探測進行了大量的研究，取得了豐碩的成果。大部分的方案均需要火工品將錨裝置以一定初速射向小行星表層，從而實現(xiàn)著陸器在小行星表面的有效固定。

彈射筒是一種比較常用的彈射類火工品，在飛船、衛(wèi)星、無人機和導(dǎo)彈等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[16-20]，主要用于結(jié)構(gòu)之間的連接與分離，為物體的可靠分離提供速度。為了增加錨裝置射入小行星表面后的附著力，需要在錨裝置內(nèi)嵌入另外一種火工裝置—延時作動器，在錨裝置射入小行星表面后將錨裝置內(nèi)部機構(gòu)強力展開，增加附著力。延時作動器采用機械式觸發(fā)，經(jīng)過延時后伸出中心軸一定行程實現(xiàn)作動功能，將錨裝置內(nèi)部機構(gòu)完全展開。

本文設(shè)計了一種典型的彈射筒與延時作動器共同組成的火工彈射機構(gòu)，其功能是將錨裝置以一定的速度射入小行星表面，錨裝置內(nèi)的延時作動器延期推動錨裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開，增加錨裝置的附著力，最終完成探測器在小行星表面的附著功能。彈射機構(gòu)在彈射錨裝置配重相比彈射裝有延時作動器的錨裝置時速度大幅下降，經(jīng)分析確認是由于彈射筒內(nèi)活塞撞擊延時作動器的推桿后擊發(fā)延期針刺雷管，產(chǎn)生的高壓燃氣推動延時作動器的推桿反向高速撞擊活塞，對活塞產(chǎn)生一個很大的反推力，與活塞形成了一個類似于“空氣彈簧”結(jié)構(gòu)，造成了彈射機構(gòu)的彈射速度大幅下降。通過增加延時作動器卡箍的方式將推桿擊發(fā)雷管后鎖住，經(jīng)過試驗證明能夠防止推桿反向撞擊活塞，從而不再影響彈射速度。該設(shè)計方式對彈射機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 彈射機構(gòu)組成和工作原理

1.1 彈射機構(gòu)的組成

彈射機構(gòu)主要由彈射筒、錨裝置和延時作動器組成。彈射筒由剪切銷、外筒、活塞、底座、點火器和主裝藥等組成。延時作動器通過螺釘固定在錨裝置的殼體內(nèi)，用剪切銷將錨裝置固定在彈射筒內(nèi)，延時作動器的推桿與彈射筒的活塞接觸。彈射機構(gòu)的示意如圖1。

1.2 彈射機構(gòu)的工作原理

彈射機構(gòu)接到點火信號后點燃點火器，點火器引燃主裝藥產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，活塞在高壓燃氣作用下向左運動，推動推桿前端的針刺撞擊觸發(fā)延期雷管，活塞繼續(xù)向前運動剪斷剪切銷將錨裝置以一定的速度彈射出外筒。錨裝置刺入目標(biāo)，延期雷管的延期時間結(jié)束后輸出端炸藥燃燒產(chǎn)生高壓燃氣將錨裝置內(nèi)的結(jié)構(gòu)展開，增加附著力。

圖1 彈射機構(gòu)的示意Fig.1 Pictures of structure of the catapult mechanism

2 彈射機構(gòu)的試驗驗證

2.1 試驗過程

通過4個螺釘將彈射機構(gòu)固定在發(fā)火試驗工裝上，將工裝與測力傳感器連接，測力傳感器固定在試驗臺上。試驗過程用數(shù)據(jù)采集儀記錄推力—時間曲線，通過曲線判讀彈射后座力，采樣頻率為100kHz。以高速攝像實測彈射機構(gòu)的彈射速度。高速攝像按彈射機構(gòu)的位置設(shè)置機位，通過錨體和標(biāo)尺作為高速攝像數(shù)據(jù)處理的依據(jù)，高速攝像拍攝幀數(shù)為4 000幀/s。通過電子秤測量錨裝置射入火山石后的附著力。

2.2 試驗結(jié)果

彈射機構(gòu)共進行了3種狀態(tài)的發(fā)火試驗，分別為彈射錨裝置不含延時作動器僅配相應(yīng)質(zhì)量、彈射錨裝置（含延時作動器）和彈射錨裝置含增加卡箍的延時作動器3種狀態(tài)。試驗的結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)火試驗數(shù)據(jù)Tab. 1 The data of experiment

為了測量錨裝置的附著力，彈射機構(gòu)射入的目標(biāo)介質(zhì)為火山石，錨裝置射入火山石的狀態(tài)如圖2所示，其中第2次試驗延時作動器的推桿未鎖住，第3和4次試驗延時作動器的推桿鎖住，未突出延時作動器本體。

圖2 錨裝置射入火山石的狀態(tài)Fig.2 The state of anchor device rip into vesuvianite

3 試驗結(jié)果分析

由表1可知，當(dāng)彈射機構(gòu)彈射錨裝置在序號1時的速度為83.3m/s，彈射含延時作動器的正式錨裝置時速度下降到 39.6m/s，速度下降了 52%。通過分析確認延時作動器的推桿針刺到延期雷管后，雷管的延期藥開始燃燒，因為推桿和延期雷管之間的空腔非常小，因此會產(chǎn)生高壓燃氣將推桿反向撞擊彈射筒的活塞。同時由于推桿和活塞兩端均為高壓燃氣，隨著活塞向前運動，活塞端的燃氣壓力P1下降，如圖3所示，當(dāng)推桿端燃氣壓力P2>P1時，推桿阻礙活塞的運動，P2的容腔會逐漸增大，P2則逐漸減??；當(dāng)P2＜P1時，活塞會推動推桿繼續(xù)向前運動。如此反復(fù)，推桿和活塞就形成了一個類似于“空氣彈簧”的結(jié)構(gòu)，大大增加了活塞的運動阻力，造成活塞的輸出能量急劇減少，最終錨裝置的彈射速度大幅下降。

圖3 推桿和活塞形成的“空氣彈簧”示意Fig.3 The picture of air spring forming by handspike and piston

為了使延時作動器的推桿刺入延期雷管后能夠鎖住，重新設(shè)計推桿和延時作動器的殼體，增加了一個卡箍，將推桿刺入延期雷管后鎖住，不再反向撞擊彈射筒的活塞，減小了活塞運動的阻力。

延時作動器增加卡箍后進行了第3和第4次試驗，兩次試驗卡箍均將推桿鎖住，彈射速度較第2次試驗提高了68%，增加比較明顯，且刺入目標(biāo)的附著力增加了近一倍。因為錨裝置和延時作動器內(nèi)都有剪切銷，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在彈射過程中錨裝置和延時作動器會消耗一部分能量，比單獨彈射一個等質(zhì)量的錨裝置配重速度會有小幅的下降。所以第3、4次試驗的彈射速度比第1次試驗的彈射速度有所下降。

通過以上分析，彈射機構(gòu)內(nèi)推桿對活塞的反推力和形成的“空氣彈簧”對彈射速度有較大影響，減小活塞的阻力能夠大大提高彈射機構(gòu)的輸出能量，提高火藥的利用率。對于復(fù)雜的彈射機構(gòu)應(yīng)盡量減小機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對活塞的阻力和內(nèi)部能量的損耗，提高能量的利用率，在保證彈射速度的前提下能夠有效減小彈射機構(gòu)帶來的推力和沖擊，減少對安裝在彈射機構(gòu)附近精密儀器的損害。

4 結(jié)束語

通過對彈射機構(gòu)內(nèi)延時作動器推桿鎖住前后的狀態(tài)進行對比分析，當(dāng)推桿有效鎖住時能夠大大的提高彈射速度，增加錨裝置的附著力，能夠在保證彈射速度的前提下有效減小彈射機構(gòu)工作時的沖擊。因此，彈射機構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)盡量減小機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對活塞的阻力和內(nèi)部能量的損耗，為彈射機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局提供參考。