基于ADAMS的着陆器着陆缓冲及稳定性分析

论文摘要

我国的月球探测计划分为“绕”、“落”、“回”三个阶段。其中，二、三期探月工程实现月面软着陆。月球探测器软着陆是探月工程二、三期的工程目标与任务中一个极其重要的环节，是实现探月二、三期的科学目标的关键。着陆器防缓冲机构、着陆面地形和着陆初始条件选择是决定探月二、三期工程软着陆成败的重要条件。基于上述缓冲机构设计、着陆稳定性等问题，本文通过国内外相关文献综述、理论分析、试验、数值模拟对着陆器着陆过程进行着陆缓冲计算机仿真计算及稳定性分析，以获取着陆器缓冲结构设计参数和稳定性及其安全着陆的初始条件。本文首先基于铝蜂窝的压缩特性和平台特性，建立主缓冲腿和辅助缓冲腿的动力学仿真模型，试验和计算机仿真结果验证了主辅缓冲腿计算模型的有效性；其次，基于库伦摩擦理论、CONTACT接触搜寻算法和多体动力学理论，建立了整体着陆器-刚性月面接触仿真模型；接着，基于月壤机械力学特性，利用反求计算结果与阿姆斯特朗脚印的对比，获得了月壤力学参数，构建了月壤的本构模型，继而应用Fortran语言，编制了ADAMS的月壤子程序，再结合文中所提出的改进的CONTACT算法，藉之建立了整体着陆器-柔性月壤接触仿真模型，数值计算与试验结果验证了模型的有效性；然后，基于Papadopoulos的力-角稳定性度量法，文中提出了修正的稳定锥角法和着陆器着陆稳定性判断准则，应用其稳定性判断准则，对着陆器软着陆各种极限工况进行了数值模拟分析，获得了刚性和软月壤着陆面，最恶劣的工况均为水平速度为1m/s，角速度为1°/s，姿态偏角为4°；同时，获取了着陆器在每个偏航角恰好翻覆的水平速度，并最终得到水平速度与偏航角的稳定边界曲线，继而得出偏航角22.5°的工况最为恶劣。上述研究成果为着陆器缓冲机构设计以及实现软着陆月面环境和初始条件的选择或类似的工程设计提供指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 成功应用的软着陆机构探测器
• 1.3 稳定性分析理论研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 铝蜂窝与月面缓冲接触模型及验证
• 2.1 引言
• 2.2 主缓冲腿和辅助缓冲腿模型
• 2.2.1 铝蜂窝模型压缩机理分析
• 2.2.2 铝蜂窝计算模型
• 2.2.3 仿真结果分析
• 2.3 足垫与地面接触模型
• 2.3.1 刚性地面接触模型
• 2.3.2 软月壤接触模型
• 2.3.3 月壤力学参数反求及试验验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 着陆器着陆过程的动力学模型及分析
• 3.1 引言
• 3.2 整体着陆器着陆过程动力学模型
• 3.2.1 ADAMS 多刚体系统动力学分析
• 3.2.2 着陆器着陆过程的动力学计算模型
• 3.3 着陆器着陆工况
• 3.3.1 着陆器着陆初始条件
• 3.3.2 着陆器着陆姿态
• 3.4 着陆器着陆极限工况及选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 稳定性计算理论及仿真结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 稳定性分析理论
• 4.2.1 修正的稳定锥角法
• 4.2.2 着陆器着陆稳定性判断准则
• 4.3 刚性着陆面环境下初始条件对着陆缓冲及稳定性的影响
• 4.3.1 水平速度对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.3.2 水平速度对着陆器稳定性的影响
• 4.3.3 角速度对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.3.4 角速度对着陆器着陆稳定性的影响
• 4.3.5 姿态偏角对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.3.6 姿态偏角对着陆器稳定性的影响
• 4.3.7 偏航角与水平速度稳定性边界曲线
• 4.3.8 姿态偏角与水平速度的稳定性边界曲线
• 4.4 月壤着陆面环境下水平速度对着陆缓冲及稳定性的影响
• 4.4.1 水平速度对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.4.2 水平速度对着陆器稳定性的影响
• 4.4.3 角速度对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.4.4 角速度对着陆器着陆稳定性的影响
• 4.4.5 姿态偏角对着陆器本体质心的加速度的影响
• 4.4.6 姿态偏角对着陆器稳定性的影响
• 4.4.7 偏航角与水平速度稳定性边界曲线
• 4.4.8 姿态偏角与水平速度的稳定性边界曲线
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况