许东

摘 要 论文针对设计要求，结合月球着陆的特点，确定了月球软着陆缓冲装置的布置方案。查阅资料，了解铝合金蜂窝结构的性能和特点，并结合软着陆的参数限制，采用工程计算的方式，对缓冲器的缓冲装置结构进行了设计。另外采取“四分之一质量冲击”模型，进行了有限元软件ABAQUS的有限元分析，完成了对所设计的铝合金蜂窝缓冲装置的缓冲性能的计算。

关键词 月球 软着陆 铝合金蜂窝 冲击模型有限元仿真

1 研究背景和意义

月球是地球的卫星，它有着表面引力小，无大气层，磁场强度弱的特点。①作为科学研究的场所具有很多独特的优势，往往成为太空探测的第一站。一般情况下，当月球探测器在完成环绕之后变轨抵达月球表面时着陆速度还会有3～8m/s，这样大的着陆速度势必会引起较强的冲击。软着陆技术，又称安全着陆技术，指采取专门减速措施将探测器在接触地球或其他天体表面瞬时的横向速度及垂直速度降低到能安全着陆的最小值的着陆方式。②软着陆技术对于登月活动成败具有重要意义。

铝蜂窝缓冲器具有结构简单，可靠性高，受温度影响小的特点，因此在探月工程的初期阶段被广泛采用。

2 铝蜂窝材料性能分析

蜂窝材料的变形分为异面压缩（T向）和面内压缩。因为异面压缩的平均应力较大所以在设计缓冲器时2往往采用异面压缩在实际工程运用中，铝蜂窝材料可以看成较为理想的塑形材料，其应力应变曲线关系可以进行简化，如图1、图2所示。

在理论上可以通过对铝蜂窝结构的分析，利用复合材料领域的理论知识，得到铝蜂窝材料的工程常数的一些理论计算数值。当铝蜂窝结构在其T向有较大的塑形变形时，其工程参数可以进行适当的简化，计算公式如图3所示。

3 着陆器及缓冲器设计

着陆腿的数量在设计上主要存在有三腿式，四腿式，多腿式等设计形式。③三腿式的设计适合在质量较轻的探测器上采用。多腿式的设计形式较为复杂，本文设计的月球探测器质量达到4000kg，属于同类探测器中较大，较重的类型，所以宜采用四腿着陆器的设计。主辅支腿连接采用的是可收拢的桁架式设计，具有结构较简单，稳定性好，适应不同月球土壤环境等优点。但缺陷是抵抗横向冲击稳定性较差。④

根据设计要求，设计着陆器主体部分为2.5€？€？的矩形体，根据总体尺寸大小设计主着陆腿长3.6米，与机体固连处据底盘高1.5米，主着陆腿倾斜角为60€啊S烧庑┥杓频玫阶怕狡髯芴宀贾猛既缤？所示。在整个设计中，各部分的具体数目为，主着陆腿共计4，辅助支腿共计8，足垫共计4，主缓冲器共计4，辅助缓冲器共计8。

空间对称的四腿式着陆器，在不考虑水平速度时，四腿同时着地时在垂直方向上会产生最大过载。单个着陆腿上的最大压力为： =

式中，为整个着陆器的重量，为允许的最大过载，为着陆器支腿数，为支腿倾斜角。根据设计要求，着陆器质量为4000kg，最大允许过载为5，因此经过计算主着陆腿的最大允许压力为 = 56.58kN。

为保证缓冲性能的可靠性，设计时考虑单支腿吸收垂直方向95%的能量，两腿着陆时可完全吸收能量，四腿同时着陆时，所有一级缓冲铝蜂窝能够吸收95%的能量。

着陆器质量为4000kg，而着陆时速度为3m/s，因此在整个着陆缓冲过程中需要吸收的动能为18.0kj。初步暂定缓冲器行程为0.5m，因此缓冲过程结束后整个装置重心会下降0.433m。这样因缓冲结束导致着陆器重心下降引起的重力势能变化： = HU = 2.81kj由能量守恒定律，考虑到四腿的一级缓冲吸收总能量的95%。

计算得一级缓冲设计缓冲力为26kN，行程0.2m又由之前计算可得到两级缓冲总吸能应为14.57kJ，最后可以计算得到二级缓冲设计的设计缓冲力为32kN，行程为0.3m。

由以上设计，可以计算得到，单腿吸能能力为：

因此双腿吸能能力为29.6kJ，四组一级缓冲的吸能能力为20.8kJ，满足所提出的三个不同着陆情况下的吸能准则的要求。一级缓冲设计缓冲力为26kJ，二级缓冲设计的缓冲力为32kJ，均小于之前计算的最大承载力的数值。

至此，铝蜂窝结构缓冲件的两级缓冲的缓冲力和行程等缓冲参数的数值设计完毕。

等学者通过对铝蜂窝材料进行大量的理论模拟和实验机冲击研究后，提出了铝蜂窝材料在受到Z向压缩或冲击时发生异面压缩时的平均应力公式。

带入本文中的数据，参考一些现有的设计方案，可以选择采用铝蜂窝材料 = 0.1mm， = 8mm，=140MPa，由此带入公式可以算得 = 0.622MPa。

铝蜂窝缓冲件的截面形状设计为为圆形，考虑到之前计算得到的一级缓冲的缓冲力 = 26KN，二级缓冲的缓冲力为 = 32kN，可计算得一级缓冲件直径 = 0.24m，二级缓冲件直径为0.28m。

缓冲器部分的结构草图如图5所示。

根据几何关系，可以设计得到内筒的外径为0.26m，外筒内径为0.3m，外筒外径0.32m，外筒壁厚0.01m。

根据已经设计得到的缓冲件缓冲总行程为：

= + = 0.5m

铝蜂窝的异面压缩的极限应变按0.7计算，那么可以得到两级缓冲件分别长为0.7m和1.0m。由此得到缓冲件总长度为1.7m。

4 设计方案的参数与模型

设计方案的参数见表1，模型见图6。

5 有限元仿真分析结果

采用ABAQUS有限元软件建立模型进行有限元分析。铝蜂窝缓冲器部分VOLUMN在缓冲前后的变化过程如图7、图8所示。

第一级变形过程中的VOLUMN部分的一级缓冲部分在与PART3部分接触的地方的应力大概为5.028€？05Pa，与设计时的理论的压溃时的平均应力0.6MPa大致相当，在冲击过程之不会超过最大支承力。

从能量图（图9）可以看出，当铝蜂窝结构部分缓冲行程达到0.5m时，单个主缓冲器的压缩变形能量为14.7KJ，此数值与所设计相似。

能量图在压缩实验进行0.17s左右时有一个转折，说明此前发生的是一级缓冲装置的吸能，数值大约为5.2kJ，在四腿同时着陆时，四个缓冲器的一级缓冲部分总共能够吸收20.8kJ的能量，满足要求。

至此，铝合金蜂窝月球软着陆缓冲装置设计完成。

注释

① 李立春（导师：聂宏）.月球探测器软着陆缓冲机构缓冲性能分析研究.南京航空航天大学硕士论文，2009-12-01.

② 陈金宝，聂宏，汪岸柳等.月球软着陆系统关键技术研究与发展综述[J].中国机械工程，2006.17（8）：426-428.

③ E R L.Monte carlo approach to touchdown dynamics for soft lunar landing， TN D-23117[R].NASA，1965.

④ Roberrtw H， Waync L H. Dynamic model investigation of touchdown stability of lunar landingvehicles， TN D-4215[R].NASA，1967.