着陆器着陆动力学若干基础问题研究

由于试验和经验设计方法在研究着陆冲击动力学问题中存在着试验周期长，经费高昂等缺陷，使得数值计算成为研究此类大变形、高应变率、瞬态响应问题的重要手段。本项目以我国宇航空间月球着陆器为应用背景，重点研究以下内容：首先，基于试验方法研究模拟月壤在冲击载荷作用下的动力学响应，建立便于工程应用的、物理参数较少的月壤动本构模型；其次，基于随机理论建立月壤不确定性反问题数学模型，拟通过改进贝叶斯算法并耦合有限元数值方法解决月壤动本构模型参数辨识问题；再其次，建立着陆器着陆过程非线性耦合动力学方程，应用稳定性及相似理论，解决着陆器着陆过程动态稳定评估及低重力模拟试验等问题。最后，通过运用虚拟样机技术构建软件平台，为着陆器着陆动力学仿真分析建立一套高效、可靠的分析手段和方法。本项目的研究为我国开展行星际软着陆工程提供技术指导。

为了实现月球着陆器在月面平缓、顺利地着陆，影响月球着陆器软着陆性能的关键问题已成为了研究重点，同时也对月球着陆器的地面试验技术提出了更高的要求。本项目对月壤模型、着陆器着陆冲击动力学、着陆器低重力实验技术、着陆器快速一体化设计技术开展研究。项目研究内容如下： 首先结合项目整体研究内容需要研究了月壤在冲击载荷作用下的动力学响应问题，建立了便于工程应用的、物理参数较少的模拟月壤动本构模型；其次针对本构模型中的参数选取问题，结合后续试验采用吉林靖宇县长白山的火山灰配制了模拟月壤用于模拟着陆器着陆区域的月表地形，重点对该模拟月壤进行了土力学性能参数测试并将基于有限元的非线性瞬态动力学方法仿真分析结果与试验结果进行对比，以此验证了相关参数选取的正确性；再其次以四腿对称分布悬臂式月球着陆器为研究对象，对月球着陆器2-2对称着陆模式建立了全机月面软着陆七自由度动力学模型，对月球着陆器的软着陆稳定特性进行了全面系统的分析。继而，应用相似理论提出了月球着陆器地球重力场下1/3模型样机着陆冲击试验方案，对着陆冲击试验系统和原理进行了研究，并对月球着陆器着陆冲击试验测试要求进行了分析。最后编制了月球探测器软着陆六自由度动力学分析程序，并利用程序分析了探测器全机月面软着陆性能，研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面斜角等参数对探测器着陆性能的影响。本项目研究过程中已发表学术论文14篇，其中SCI收录6篇，EI收录11篇，申请专利4项，授权2项，培养硕士研究生4名，博士研究生4名，本项目所涉及的着陆器稳定性技术研究已成功为国家嫦娥探月重大专项服务，相关研究成果获得2012年度国防科技进步一等奖及2013年度国家科技进步二等奖。