CN103335803B - 一种着陆器冲击试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种着陆器冲击试验方法，能够完成着陆器的地标冲击试验，获得着陆器冲击试验数据；采用吊梁、两条垂直吊带、两条斜吊带和挂弹钩等简单设备即实现了着陆器的吊挂与释放，使本发明的试验方法具有原理和结构简单、容易实现的优点；通过采用尼龙搭扣来实现模拟着陆器与着陆面之间最大摩擦系数，通过在木板上涂刷油漆和铝粉实现0.4的摩擦系数，使本发明的冲击试验真实模拟月表环境，从而使试验数据更真实可靠；通过设计吊点转接件，将被缓冲器支架的水平三角板遮挡住的整器吊点沿竖直方向（X方向）移位，且通过U型吊点转接件的作用后，将垂直吊绳的作用力间接加载在整器吊点上，并没有改变作用力的属性，因此不会对着陆器造成不必要的损伤。

Description

一种着陆器冲击试验方法

技术领域

本发明涉及深空探测技术领域，具体涉及一种着陆器冲击试验方法。

背景技术

着陆器是我国首次在地球以外的星球实现软着陆的航天器，为了便于表征着陆器和月球表面之间的坐标变换关系，考虑到着陆器的结构和重量分布特点，如图1(a)和如图1(b)所示，以位于着陆器几何中心的质心为坐标原点，垂直于着陆器顶板向上方向为X轴，两个太阳翼方向分别为+Y轴和-Y轴方向，Z轴方向根据右手定则确定。根据舱段划分，着陆器由中心舱、+Y舱、-Y舱、-Z舱、+Z侧板设备以及顶板设备等主要部分构成。中心舱主要安装推进分系统燃料贮箱、发动机、气瓶和管路设备，以及GNC分系统部分设备；+Y舱、-Y舱主要安装测控数传、一次电源、综合电子及有效载荷等分系统设备；-Z舱安装GNC分系统设备；巡视探测器安装在靠近+Z侧板一侧的中心舱顶部，通过两器连接解锁机构与着陆器主结构相连接。着陆缓冲分系统由4套以平面对称的方式安装在结构本体的着陆缓冲机构组成；为减小着陆器在航天器中所占空间，着陆器的中心舱设计成正方体四角被切掉的八面体，该八面体的包络最小，即可提高空间利用率。为方便中心舱的吊装，在中心舱顶板上表面分别沿+Y轴、-Y轴、+Z轴和-Z轴方向上加工有4个相对于质心对称的中心舱吊点。当中心舱的外围的组件，即+Y舱、-Y舱、-Z舱和着陆缓冲机构等设备安装完毕后，考虑到整器的搬运，需要设置若干整器吊点，因此考虑将分别位于4个中心舱吊点下方的缓冲器支架上的点作为整器吊点，理由为：4个连接点的位置相对于着陆器质心对称，如果借用该4个点对整个着陆器进行吊挂，着陆器受力平衡不会产生倾覆。如图1(b)所示，为了将着陆缓冲机构安装到着陆器上，在连接点处分别采用4个缓冲器支架将4个着陆缓冲机构固定在着陆器的4个外侧面上，每个缓冲器支架均包括两个三角板，其中一个三角板水平固定在外侧面上，另一个三角板竖直地置于水平的三角板的下方，竖直的三角板其中一条直角边固连在水平三角板下表面，另一条直角边固定在着陆器外侧面上，着陆缓冲机构连接在竖直的三角板上。

着陆器经历发射段、地月转移段、环月段后进入动力下降段，最终以一定的速度和姿态与月面接触，依靠着陆缓冲机构的缓冲作用，吸收着陆器着陆瞬时的冲击载荷和冲击能量，实现着陆器在月面的稳定安全着陆。在地面进行着陆冲击试验时，通过对着陆器运动速度、姿态、角速度和着陆缓冲机构和缓冲行程进行测量，同时测量着陆器关键部位和关键设备连接处的冲击响应，以达到考核着陆器主结构在典型工况下的抗冲击性能的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种着陆器冲击试验方法，能够完成着陆器的地标冲击试验，获得着陆器冲击试验数据。

本发明的一种着陆器冲击试验方法，其中，以位于着陆器几何中心的质心为坐标原点，垂直于着陆器顶板向上方向为x轴，两个太阳翼方向分别为+Y轴和-Y轴方向，Z轴方向根据右手定则确定；中心舱顶板上表面分别沿+Y轴、-Y轴、+Z轴和-Z轴方向上加工有4个相对于质心对称的中心舱吊点，将分别位于4个中心舱吊点下方的4个与着陆缓冲机构连接的缓冲器支架上的点作为整器吊点，包括如下步骤：

步骤1、采用厚度为150mm、尺寸至少为7.6m×7.6m水平放置的木板作为着陆器冲击试验的着陆面；

步骤2、根据试验需要设置木板的摩擦系数；

步骤3、采用吊挂释放系统对着陆器进行吊挂，具体方法为：

S301、采用两条垂直吊带分别固连在着陆器上，其中较短的垂直吊带的一端连接在着陆器-Z侧的中心舱吊点上，较长的垂直吊带通过吊点转接件连接在着陆器+Z侧的整器吊点上；

所述吊点转接件为由底座和直角架组成的U型结构，直角架弯向底座且与底座的一端固定连接，直角架远离底座一端加工有一通孔；底座由两个一体加工的支架组成，每个支架上沿所述通孔轴向均加工有连接孔，直角架向上且朝向着陆器，吊点转接件上的两个支架卡在所述缓冲器支架的竖直的三角板外侧，并通过支架上连接孔与竖直的三角板固定连接，直角架上的通孔轴线与缓冲器支架上整器吊点孔的轴线位于同一竖直面内，则较长垂直吊带即连接在所述直角架的通孔上；

所述较长一条垂直吊带中安装有花篮螺丝；

S302、采用两个转接板分别固连在吊梁两端，将两条垂直吊带悬空端分别与两个转接板的下端连接在一起；

S303、将两条长度相等的斜吊带的一端分别与两个转接板的上端固连；将两个斜吊带的另一端连接在一起后挂在处于锁紧状态的挂弹钩的卡钩中，使两条斜吊带和吊梁形成一个等腰三角形；然后将挂弹钩的上端挂在天车的吊钩上；

S304、旋转较长垂直吊带中的花篮螺丝，调整较长垂直吊带与较短垂直吊带之间的相对长度，保证当着陆器被吊起时，吊梁处于水平状态，两条垂直吊带垂直向下，同时着陆器平行于水平面；

S305、采用两条限位绳分别连接在+Y方向和-Y方向的两个整器吊点上；

S306、采用两条保护带，每条保护带的一端与天车吊钩相连，另一端分别与吊梁的两端相连，保护带的长度保证着陆器被挂弹钩释放后，与其连接的吊梁和两条垂直吊带悬在空中，使其不接触着陆器上的设备和结构，由此保护着陆器不受吊挂释放系统的损伤；

步骤4、采用4台摄像机，分别放置在4个着陆缓冲机构正对的位置，用于分别获得4套着陆缓冲机构的行程；

步骤5、用天车将着陆器吊起至木板的正上方，在吊起过程中，拉拽两条限位绳(5)，防止着陆器摆动；着陆器被吊起高度满足：着陆器足垫与木板接触瞬间的速度等于3.8m/s；

步骤6、打开4台高速摄像机，然后给挂弹钩上电，驱动卡钩打开；着陆器稳定着陆后，控制摄像机停止工作。

在所述步骤2中，当模拟着陆器着陆时有障碍物阻挡其滑行的恶劣着陆情况时，在木板上铺设尼龙搭扣的绒带，在着陆器着陆缓冲机构的足垫底部铺设尼龙搭扣的钩带；

当模拟着陆器在月球表面正常着陆情况时，在木板上先后粉刷油漆和铝粉，使木板相对于着陆器足垫的摩擦系数与月表对着陆器足垫的摩擦系数大小一致，该摩擦系数取0.4。

其中一条所述斜吊带中设置花篮螺丝，用于调节斜吊带的长度。

本发明的一种用于着陆器冲击试验方法，具有如下有益效果：

1)仅仅采用吊梁、两条垂直吊带、两条斜吊带和挂弹钩等简单设备即实现了着陆器的吊挂与释放，使本发明的试验方法具有原理和结构简单、容易实现的优点；

2)通过采用尼龙搭扣来实现模拟着陆器与着陆面之间最大摩擦系数，通过在木板上涂刷油漆和铝粉实现0.4的摩擦系数，使本发明的冲击试验真实模拟月表环境，从而使试验数据更真实可靠；

3)通过设计吊点转接件，将被缓冲器支架的水平三角板遮挡住的整器吊点沿竖直方向(X方向)移位，且通过U型吊点转接件的作用后，将垂直吊绳的作用力间接加载在整器吊点上，并没有改变作用力的属性，因此不会对着陆器造成不必要的损伤；

4)通过采用两条保护带，避免本发明的系统释放后，吊梁等部件对着陆器造成干涉或损伤；

5)通过在着陆器两侧连接限位绳，避免着陆器在上升和释放过程中产生摆动或倾倒；

6)通过采用LS-DYNA软件对着陆器冲击着陆面进行模拟计算，得到着陆器不受到木板边缘反馈震荡波冲击波影响情况下的木板最小尺寸，由此在取得较好试验效果的前提下，节省资源。

附图说明

图1(a)为现有技术中的着陆器的分解结构示意图，图1(b)为现有技术中的着陆器的整体结构示意图。

图2为本发明的吊挂释放系统与着陆器连接状态的两个视图的结构示意图。

图3为本发明的吊点转接件与着陆器连接的结构示意图。

图4为本发明中的吊点转接件的结构示意图。

图5为发明中一个实施例的限位绳与着陆器连接示意图。

其中，1-垂直吊带，2-斜吊带，3-吊梁，5-限位绳，6-保护带，7-挂弹钩，8-转接板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种着陆器冲击试验方法，包括如下步骤：

步骤1、根据月球表面的力学特征，考虑到着陆器触月后与土壤的相互作用，同时，为了对着陆器进行加严考核，选取比月球表面土壤偏硬且摩擦系数较大的木板作为冲击试验的着陆面。如果木板的尺寸太小，着陆器着陆后木板的边缘将会把冲击波再次反射回着陆器的4个足垫处，影响试验效果，因此，本发明考虑对木板的最小尺寸和厚度进行确定，以节约资源。根据着陆器的重量、着陆器足垫载荷，采用现有的LS-DYNA软件对着陆器着陆后对着陆面冲击力的分布、着陆面变形等进行模拟，得到木板的最优化厚度为150mm，木板尺寸至少为7.6m×7.6m，使得着陆器不被冲击波的回波扰动。

步骤2、根据试验需要设置木板的粗糙程度来设置木板相对于着陆器的足垫的摩擦系数：

步骤3、采用吊挂释放系统对着陆器进行吊挂，具体方法为：

S301、采用两条垂直吊带1分别固连在着陆器上，其中较短垂直吊带1的一端连接在着陆器-Z侧的中心舱吊点上，较长垂直吊带1通过吊点转接件连接在着陆器+Z侧的整器吊点上。由于在冲击试验中，采用真正的着陆器装载巡视探测器进行测试，巡视探测器安装在靠近+Z侧板一侧的中心舱顶部，巡视探测器将+Z一侧的中心舱吊点遮挡住，+Y舱和+Y太阳翼以及-Y舱和-Y太阳翼安装完毕后，+Y侧和-Y侧的中心舱吊点和整器吊点均被遮挡，而-Z舱的安装也遮挡-Z侧的整器吊点，着陆器上可用的吊点只有-Z侧的中心舱吊点以及+Z侧的整器吊点，而鉴于+Z侧的整器吊点上的连接件的水平三角板遮挡连接点，因此，本发明采用一个吊点转接件将吊点位置移位，将较长垂直吊带1通过吊点转接件连接在着陆器+Z轴的整器吊点上。

吊点转接件为由底座和直角架组成的U型结构，直角架弯向底座且与底座的一端固定连接，直角架远离底座一端加工有一通孔；底座由两个一体加工的支架组成，每个支架上沿所述通孔轴向均加工有连接孔，直角架向上且朝向着陆器，吊点转接件上的两个支架卡在所述缓冲器支架的竖直的三角板外侧，并通过支架上连接孔与竖直的三角板固定连接，直角架上的通孔轴线与缓冲器支架上整器吊点孔的轴线位于同一竖直面内，则较长垂直吊带1即连接在所述直角架的通孔上；

为了调整较长垂直吊带1的长度，在较长一条垂直吊带1中安装有花篮螺丝；

S302、采用两个转接板8分别固连在吊梁3两端，将两条垂直吊带1悬空端分别与两个转接板8的下端连接在一起；

S303、将两条长度相等的斜吊带2的一端分别与两个转接板8的上端固连；将两个斜吊带2的另一端连接在一起后挂在处于锁紧状态的挂弹钩7的卡钩中，使两条斜吊带2和吊梁3形成一个等腰三角形；然后将挂弹钩7的上端挂在天车的吊钩上；

S304、旋转较长垂直吊带1中的花篮螺丝，调整较长垂直吊带1与较短垂直吊带1之间的相对长度，保证当着陆器被吊起时，吊梁3与两条垂直吊带1垂直，同时着陆器顶板平行于水平面；

S305、采用两条限位绳5分别连接在+Y方向和-Y方向的两个整器吊点上；

S306、采用两条保护带6，每条保护带6的一端与挂弹钩7相连，另一端分别与吊梁3的两端相连，保护带6的长度保证着陆器被挂弹钩7释放后，与其连接的吊梁3和两条垂直吊带1悬在空中，并限制在设定的高度上，使其不接触着陆器上的设备和结构，由此保护着陆器不受损伤；

步骤4、采用4台速度至少为500帧/秒的高速摄像机，分别放置在4个着陆缓冲机构正对的位置，用于获得着陆缓冲机构的缓冲行程；

步骤5、用天车将着陆器吊起至木板的正上方，在吊起过程中，拉拽两条限位绳5，防止着陆器摆动；由于着陆器在轨时在月面着陆时的垂直速度不大于3.8m/s，因此，为真实模拟着陆条件，着陆器被吊起高度要满足：着陆器自由落到木板瞬间的速度等于3.8m/s；

步骤6、打开4台高速摄像机，然后给挂弹钩7上电，驱动卡钩打开，松开两个限位绳5，着陆器自由下落，以模拟着陆冲击过程，着陆器稳定着陆后，控制摄像机停止工作。由于采用了保护带6，吊梁3和吊带下降一定高度后被停止，防止着陆器被砸坏。从着陆器接触着陆面开始，着陆缓冲机构开始缓冲，则4台摄像机对缓冲过程开始记录，得到用于评估着陆器的着陆缓冲机构缓冲性能的试验数据。

较佳地，为了对两条斜吊带2和吊梁3形成的三角形进行微调，在一条斜吊带2中设置花篮螺丝，用于调节斜吊带2的长度，使其成为等腰三角形。

在步骤2中，由于月球表面分布着月球坑和石块等障碍物，在着陆器着陆时可能会着陆到月球坑，或者着陆时刚好被前方的石块等阻碍，致使着陆器着陆时不能向前滑行，相当于着陆器受到月球表面的无穷大的摩擦力，因此，为使着陆器冲击试验真实模拟月面环境，当模拟着陆器着陆时有障碍物阻挡其滑行的恶劣着陆情况时，在木板上铺设尼龙搭扣的绒带，在着陆器着陆缓冲机构的足垫底部铺设尼龙搭扣的钩带，模拟月球表面对于着陆器足垫的无穷大的摩擦系数；

如果要模拟着陆器在月球表面正常着陆情况时，即着陆器着陆在相对于较平坦的着陆点时，根据现有文献的研究表明，月壤的摩擦系数一般在0.4左右，因此为真实模拟月壤的摩擦系数，采用在木板上先后粉刷油漆和铝粉的方法，通过调整铝粉的颗粒大小，使木板相对于着陆器足垫的摩擦系数为0.4。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种着陆器冲击试验方法，其中，以位于着陆器几何中心的质心为坐标原点，垂直于着陆器顶板向上方向为x轴，两个太阳翼方向分别为+Y轴和-Y轴方向，Z轴方向根据右手定则确定；中心舱顶板上表面分别沿+Y轴、-Y轴、+Z轴和-Z轴方向上加工有4个相对于质心对称的中心舱吊点，将分别位于4个中心舱吊点下方的4个与着陆缓冲机构连接的缓冲器支架上的点作为整器吊点，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、采用厚度为150mm、尺寸至少为7.6m×7.6m水平放置的木板作为着陆器冲击试验的着陆面；

步骤2、根据试验需要设置木板的摩擦系数；

步骤3、采用吊挂释放系统对着陆器进行吊挂，具体方法为：

S301、采用两条垂直吊带(1)分别固连在着陆器上，其中较短的垂直吊带(1)的一端连接在着陆器-Z侧的中心舱吊点上，较长的垂直吊带(1)通过吊点转接件连接在着陆器+Z侧的整器吊点上；

所述吊点转接件为由底座和直角架组成的U型结构，直角架弯向底座且与底座的一端固定连接，直角架远离底座一端加工有一通孔；底座由两个一体加工的支架组成，每个支架上沿所述通孔轴向均加工有连接孔，直角架向上且朝向着陆器，吊点转接件上的两个支架卡在所述缓冲器支架的竖直的三角板外侧，并通过支架上连接孔与竖直的三角板固定连接，直角架上的通孔轴线与缓冲器支架上整器吊点孔的轴线位于同一竖直面内，则较长垂直吊带(1)即连接在所述直角架的通孔上；

所述较长一条垂直吊带(1)中安装有花篮螺丝；

S302、采用两个转接板(8)分别固连在吊梁(3)两端，将两条垂直吊带(1)悬空端分别与两个转接板(8)的下端连接在一起；

S303、将两条长度相等的斜吊带(2)的一端分别与两个转接板(8)的上端固连；将两个斜吊带(2)的另一端连接在一起后挂在处于锁紧状态的挂弹钩(7)的卡钩中，使两条斜吊带(2)和吊梁(3)形成一个等腰三角形；然后将挂弹钩(7)的上端挂在天车的吊钩上；

S304、旋转较长垂直吊带(1)中的花篮螺丝，调整较长垂直吊带(1)与较短垂直吊带(1)之间的相对长度，保证当着陆器被吊起时，吊梁(3)处于水平状态，两条垂直吊带(1)垂直向下，同时着陆器平行于水平面；

S305、采用两条限位绳(5)分别连接在+Y方向和-Y方向的两个整器吊点上；

S306、采用两条保护带(6)，每条保护带(6)的一端与天车吊钩相连，另一端分别与吊梁(3)的两端相连，保护带(6)的长度保证着陆器被挂弹钩(7)释放后，与其连接的吊梁(3)和两条垂直吊带(1)悬在空中，使其不接触着陆器上的设备和结构，由此保护着陆器不受吊挂释放系统的损伤；

步骤4、采用4台摄像机，分别放置在4个着陆缓冲机构正对的位置，用于分别获得4套着陆缓冲机构的行程；

步骤5、用天车将着陆器吊起至木板的正上方，在吊起过程中，拉拽两条限位绳(5)，防止着陆器摆动；着陆器被吊起高度满足：着陆器足垫与木板接触瞬间的速度等于3.8m/s；

步骤6、打开4台高速摄像机，然后给挂弹钩(7)上电，驱动卡钩打开；着陆器稳定着陆后，控制摄像机停止工作。

2.如权利要求1所述的一种着陆器冲击试验方法，其特征在于，在所述步骤2中，当模拟着陆器着陆时有障碍物阻挡其滑行的恶劣着陆情况时，在木板上铺设尼龙搭扣的绒带，在着陆器着陆缓冲机构的足垫底部铺设尼龙搭扣的钩带；

当模拟着陆器在月球表面正常着陆情况时，在木板上先后粉刷油漆和铝粉，使木板相对于着陆器足垫的摩擦系数与月表对着陆器足垫的摩擦系数大小一致，该摩擦系数取0.4。

3.如权利要求1所述的一种着陆器冲击试验方法，其特征在于，其中一条所述斜吊带(2)中设置花篮螺丝，用于调节斜吊带(2)的长度。