基于小星体着陆的锚系统及其侵彻与附着理论研究

小星体着陆探测是深空探测新兴的研究方向，小星体表面引力极小，投放到其表面的着陆器很容易飘走，着陆器必须通过锚系统侵彻到小星体表面以下一定深度从而附着在小星体表面。锚系统研究以附着力最大、质量最小、适应性最强为约束条件，基于小星体表面介质对各种方案进行优化，设计出附着小星体的最优锚系统；锚系统侵彻理论假设小星体表面是半无限介质，建立锚系统侵彻的空腔膨胀模型，研究侵彻深度、侵彻阻力与小星体表面介质特性、初始能量状态、侵彻角度等因素之间的理论关系，即研究锚系统如何打入小星体表面；锚系统附着理论研究假设小星体表面为半无限介质，建立锚系统附着在小星体表面的圆柱剪切模型，研究附着力与锚系统的侵彻深度、小星体表面介质、锚体形状、锚体侵彻角度之间的关系，即研究锚系统如何拔出小星体表面。目前基于小星体的锚系统侵彻及附着理论研究还处于未探索领域，本研究对实现小星体着陆探测有重要的科学意义。

小行星着陆探测是深空探测新兴的研究方向，对了解太阳系起源和开发利用小行星等具有重要的科学及经济价值。本项目主要研究小行星着陆装置及其在小行星表面的软着陆、着陆装置在小行星表面的锚固和着陆装置在地面环境下的模拟实验三个关键问题。.通过分析小行星特点，指出了小行星着陆装置设计的约束条件，在该约束条件下对小行星着陆装置进行了结构设计。其结构主要包括着陆机构和锚系统，着陆机构又包含着陆脚、着陆架、调姿单元、缓冲单元、负载单元等，锚系统又包括侵彻单元、推进单元、缠绕单元、减振单元等。着陆机构实现负载单元内部仪器设备在小行星表面的软着陆，而锚系统实现着陆机构在小行星表面着陆后的锚固。.由于小行星表面为微重力且其自身高速自转，着陆装置在小行星表面极易飘走，着陆后着陆装置需要通过锚系统固定在小行星表面。为了分析锚系统侵彻速度与锚固力之间的关系，首先建立了锚系统在莫尔-库仑介质中的侵彻方程，该方程对侵彻深度与侵彻速度、锚体质量、锚尖形状、介质参数等之间的数学关系进行了描述；其次建立了锚系统在莫尔-库仑介质中的锚固模型，该模型对锚固力与侵彻深度和介质参数等之间的数学关系进行了描述；然后以侵彻深度为纽带，建立了锚固力与侵彻速度之间的数学关系。此外通过侵彻分析选择锚系统锚尖为锥形并对其几何尺寸进行了设计，并利用侵彻方程对影响侵彻深度的因素进行了分析。.目前对小行星着陆装置的地面模拟实验研究较少，且地面模拟实验对验证小行星着陆装置性能具有关键意义，为此本项目对着陆装置在地面环境下的微重力着陆和侵彻及锚固进行了实验。设计了气浮微重力实验平台和侵彻及锚固实验平台，采用气浮微重力实验平台分析了着陆装置在不同速度、姿态和着陆面倾角等情况下着陆时的过载加速度和稳定时间，并对其着陆性能进行评价；采用侵彻及锚固实验平台对锚系统在粘土、细沙、冰、雪、石膏和水泥等多种不同介质中的侵彻及锚固性能进行实验，通过分析侵彻深度及锚固力对其性能进行分析。