【摘要】：小行星著陸探測(cè)是深空探測(cè)新興的研究方向，，對(duì)了解太陽系起源和開發(fā)利用小行星等具有重要的科學(xué)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文將主要研究小行星著陸裝置及其在小行星表面的軟著陸、著陸裝置在小行星表面的錨固和著陸裝置在地面環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)三個(gè)關(guān)鍵問題。 通過分析小行星特點(diǎn)，指出了小行星著陸裝置設(shè)計(jì)的約束條件，在該約束條件下對(duì)小行星著陸裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)主要包括著陸機(jī)構(gòu)和錨系統(tǒng)，著陸機(jī)構(gòu)又包含著陸腳、著陸架、調(diào)姿單元、緩沖單元、負(fù)載單元等，錨系統(tǒng)又包括侵徹單元、推進(jìn)單元、纏繞單元、減振單元等。著陸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)載單元內(nèi)部?jī)x器設(shè)備在小行星表面的軟著陸，而錨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)著陸機(jī)構(gòu)在小行星表面著陸后的錨固。 著陸裝置在小行星表面的安全著陸是進(jìn)行著陸探測(cè)的前提，因此要求著陸裝置具有良好的著陸性能。著陸性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為負(fù)載單元過載加速度和著陸穩(wěn)定時(shí)間，這兩個(gè)指標(biāo)可通過著陸動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。通過分析著陸裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和著陸策略，采用Lagrange方程建立了二維著陸動(dòng)力學(xué)模型，該模型對(duì)小行星著陸裝置在著陸及翻轉(zhuǎn)階段的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了描述，從動(dòng)力學(xué)模型中可以看出影響著陸性能的主要因素包括反推力、緩沖單元阻尼和調(diào)姿單元阻尼。為了獲得較好的著陸性能，對(duì)反推力、緩沖單元阻尼參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)調(diào)姿單元阻尼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后利用這些參數(shù)對(duì)著陸裝置的著陸性能進(jìn)行了仿真分析。此外，對(duì)影響著陸性能的因素如調(diào)姿單元阻尼、著陸腳表面的錨釘、著陸面傾角、著陸姿態(tài)等進(jìn)行了仿真分析，通過分析著陸性能影響因素可以指導(dǎo)著陸初始條件的選擇，以提高著陸性能。 由于小行星表面為微重力且其自身高速自轉(zhuǎn)，著陸裝置在小行星表面極易飄走，著陸后著陸裝置需要通過錨系統(tǒng)固定在小行星表面。為了分析錨系統(tǒng)侵徹速度與錨固力之間的關(guān)系，首先建立了錨系統(tǒng)在莫爾-庫(kù)侖介質(zhì)中的侵徹方程，該方程對(duì)侵徹深度與侵徹速度、錨體質(zhì)量、錨尖形狀、介質(zhì)參數(shù)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行了描述；其次建立了錨系統(tǒng)在莫爾-庫(kù)侖介質(zhì)中的錨固模型，該模型對(duì)錨固力與侵徹深度和介質(zhì)參數(shù)等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行了描述；然后以侵徹深度為紐帶，建立了錨固力與侵徹速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。此外通過侵徹分析選擇錨系統(tǒng)錨尖為錐形并對(duì)其幾何尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用侵徹方程對(duì)影響侵徹深度的因素進(jìn)行了分析。 目前對(duì)小行星著陸裝置的地面模擬實(shí)驗(yàn)研究較少，且地面模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)驗(yàn)證小行星著陸裝置性能具有關(guān)鍵意義，為此本文對(duì)著陸裝置在地面環(huán)境下的微重力著陸和侵徹及錨固進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了氣浮微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和侵徹及錨固實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用氣浮微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析了著陸裝置在不同速度、姿態(tài)和著陸面傾角等情況下著陸時(shí)的過載加速度和穩(wěn)定時(shí)間，并對(duì)其著陸性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；采用侵徹及錨固實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)錨系統(tǒng)在粘土、細(xì)沙、冰、雪、石膏和水泥等多種不同介質(zhì)中的侵徹及錨固性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析侵徹深度及錨固力對(duì)其性能進(jìn)行分析。
文內(nèi)圖片：
圖片說明： 第 1 章 緒 論緩沖裝置[16]。1974 年返回地球，取樣返回大約 105g 月壤[17]。(4) Viking 系列火星著陸裝置 美國(guó)在 1975 年先后發(fā)射了 Viking 1 和Viking 2 探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器都包括軌道器和著陸裝置。Viking 1 是第一個(gè)成功在火星上著陸的探測(cè)器，其主要任務(wù)是獲取火星表面高分辨率的圖像、了解火星大氣和火星表面的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尋找生命跡象等。著陸裝置如圖 1-4 所示，其包括著陸裝置基體、生物防護(hù)罩和基座、減速傘、藥筒蓋和降落傘系統(tǒng)以及著陸裝置子系統(tǒng)。整個(gè)裝備直徑跨度約 3 m，高約 2 m，重約 576 kg（不包含燃料）。著陸裝置由三個(gè) 1.3 m 長(zhǎng)的著陸腿支撐，著陸裝置離開地面 22 cm。每個(gè)著陸腿有一個(gè)主支桿部件和一個(gè) A 型結(jié)構(gòu)部件，一個(gè)直徑為 30.5 cm 的著陸腳連接在其上，主支桿內(nèi)有蜂窩鋁緩沖材料[18]。豎直著陸速度 Vv≤2.14m/s，水平著陸速度 Vh≤1m/s[19]。
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圖片說明： 第 1 章 緒 論緩沖裝置[16]。1974 年返回地球，取樣返回大約 105g 月壤[17]。(4) Viking 系列火星著陸裝置 美國(guó)在 1975 年先后發(fā)射了 Viking 1 和Viking 2 探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器都包括軌道器和著陸裝置。Viking 1 是第一個(gè)成功在火星上著陸的探測(cè)器，其主要任務(wù)是獲取火星表面高分辨率的圖像、了解火星大氣和火星表面的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尋找生命跡象等。著陸裝置如圖 1-4 所示，其包括著陸裝置基體、生物防護(hù)罩和基座、減速傘、藥筒蓋和降落傘系統(tǒng)以及著陸裝置子系統(tǒng)。整個(gè)裝備直徑跨度約 3 m，高約 2 m，重約 576 kg（不包含燃料）。著陸裝置由三個(gè) 1.3 m 長(zhǎng)的著陸腿支撐，著陸裝置離開地面 22 cm。每個(gè)著陸腿有一個(gè)主支桿部件和一個(gè) A 型結(jié)構(gòu)部件，一個(gè)直徑為 30.5 cm 的著陸腳連接在其上，主支桿內(nèi)有蜂窩鋁緩沖材料[18]。豎直著陸速度 Vv≤2.14m/s，水平著陸速度 Vh≤1m/s[19]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P185.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2513683