新概念月球探测着陆缓冲机构设计理论及动力学分析

The buffering system is the important component of a Lander to ensure safe and reliable landing on the Lunar surface.In recent years, in order to improve the cushioning properties of the lander, the buffering system has been developing towards high controllability, simplification, lightweight, high energy absorption efficiency, strong reliability and good adaptability.In this project, the magnetorheological damper technology is introduced into the buffering system of the Lunar lander mechanism. First,based the theory of hydrodynamics,the dynamics of magnetorheological is studied;Second,characteristics of the Magnetorheological fluid in the space environment are to be studied by ground simulation experiment on several major features of the space environment microgravity, high and low temperature, etc.Third, the control strategies and methods of the magnetorheological buffer in the space environment are to be discussed, at the same time, active and semi-active control techniques are put forward. To design the virtual prototype of Lunar lander with magnetorheological buffer system is the last step in this program, based on which,the effectiveness of magnetorheological buffer can be analyzed in-depth and verified, and through comparising the magnetorheological buffer with the existing one, the conclusion can be drawn that the magnetorheological is more superior.

着陆缓冲系统是保证月球探测器安全着陆的重要组成机构。近些年来，为了提高月球探测器着陆机构的相关缓冲性能，缓冲装置朝着可控化、简单化、轻量化、高吸能效率、高可靠性、高适应性方向发展。本项目正是在这样的背景下将磁流变液缓冲技术引入到月球探测器着陆缓冲系统设计中。项目首先基于流体力学理论对磁流变液缓冲器进行阻尼特性分析,设计合理的磁流变液缓冲器；其次对磁流变液在空间环境中的缓冲特性进行研究，从数学模型、有限元仿真及试验验证三个方面对月球表面环境的几个主要特征（低重力、高低温、交变温差等）进行研究；再其次综合上述研究成果对磁流变液缓冲器的控制策略与控制方法进行研究，突破相关核心技术；最后研制新型月球着陆器物理样机，深入分析和验证磁流变液缓冲系统在空间着陆冲击中的有效性，并通过与现有着陆器缓冲系统的对比、分析、总结、提炼月球着陆器磁流变液缓冲系统的优越性。

月球着陆器能否在着陆过程中完成对冲击能量的吸收而稳定着陆，是整个探月项目最为关键的环节。然而，现有着陆器不能够适应复杂的着陆环境，以及在着陆过程中对突发的未知状况进行调整。本项目提出了一种新型的基于半主动控制的磁流变液月球着陆器，它将一个磁流变液阻尼器作为其主支柱，用于吸收着陆过程中的冲击能量。针对主支柱内磁流变液的流体动力学特性推导出其阻尼力理论模型，并根据推导的阻尼力模型提出了着陆器半主动控制方案。通过控制电流实现对着陆器主支柱阻尼力和着陆器机体姿态的控制，以适应复杂的着陆环境和着陆过程中可能产生的突发状况，实现着陆器的稳定着陆。.建立了传统铝蜂窝和新型基于半主动控制的磁流变液月球着陆器的多体动力学仿真模型，对两者的着陆性能和对着陆环境的适宜能力进行了对比分析。分析结果表明，本项目所提出的新型基于半主动控制的磁流变液月球着陆器在典型的极限工况下，其主要性能参数均有出色的提升。同时，相比于传统的铝蜂窝着陆器，所提出的新型基于半主动控制的磁流变液月球着陆器能够在更倾斜的月面、更大范围的月壤摩擦系数下进行着陆，对于着陆环境有着更好的适应能力。.分析了稳态和着陆高速冲击瞬态下着陆器主支柱中磁流变液的流体力学特性。建立了欧拉-拉格朗日耦合模型(CEL)，进行流固耦合仿真，并将其与所推导的理论值进行分析比较。在准静态恒定低速运动时，CEL流固耦合仿真得到的阻尼力与推导的阻尼力理论模型相吻合。在实际着陆的高速冲击运动下，由于主支柱中的磁流变液发生短暂的非定常流动，CEL流固耦合仿真得到的阻尼力相比理论模型波动更多，其波峰值也更大。.建立了主支柱的电磁耦合仿真模型，得到了所提出的半主动控制方案中不同控制电流下的可控阻尼力。以Lord公司生产的RD-8041-1磁流变液阻尼器为研究对象，搭建了半主动控制的磁流变缓冲机构原理样机落震实验系统。通过进行不同配重质量、不同高度、不同电流下的落震仿真和落震实验，验证了利用磁流变液阻尼器进行着陆冲击吸能的可行性。