月球着陆器月面着陆冲击特性及器—壤耦合作用机理研究

In the background of China’s lunar exploration project, in order to solve the landing impact security problems of manned lunar lander, the project researches the lunar lander’s landing impact characteristic and coupling effects with lander and lunar soil base on the early manned lunar landing large experimental facility which did by the applicant. Firstly, the project will develop the lunar landing impact experiment to obtain the basic load characteristics of the lunar landing impact and distill the feature of coupling effects with lander and lunar soil. At the same time, the constitutive model of soil-structure which relate to the dynamic effect will be established by the material experiment with the lunar soil. Secondly, the theoretical model and research method will be verified and improved by the experiment research of the interaction of lander and lunar soil. With the help of numerical simulation method, the effect of transient impact characteristics will be analyzed with different lander configuration, landing attitude, landing speed, different physical and mechanical properties of lunar soil. Finally, the characterization method of transient impact for lunar lander and designing principle of structural buffer will be put forward. The research will obtain the interaction between lander and lunar soil in theory, and the experimentation data and theory theoretical basis will be provided for designing the manned lunar lander safely.

本项目以我国月球探测工程为背景，为解决载人登月着陆器着陆冲击安全性问题，在前期载人登月着陆缓冲装置工程研制的大型实验设施基础上，对着陆冲击特性及器—壤相互作用特性开展研究。首先，基于月球着陆冲击试验试验场，开展着陆器冲击实验，获取基本的月球冲击着陆载荷特性，提取器—壤耦合作用的特征。同时，基于月壤材料实验建立计及动态效应的土结构本构模型。其次，开展着陆器与月壤物质相互作用特性的实验研究，对理论模型和研究方法进行验证和完善。结合数值模拟手段，分析不同着陆器构型、着陆姿态、着陆速度、不同月壤物理和力学特性对瞬态冲击特性的影响，揭示着陆器与月壤散体系统间能量传递与耗散机理。最后，提出月球着陆器着陆冲击瞬态表征方法以及相应的结构缓冲设计准则。研究成果有望从理论上厘清器—壤耦合作用机理，为设计安全载人登月月面着陆器提供必要的实验数据与理论基础。

本项目以我国月球探测工程为背景，以着陆冲击特性及器—壤相互作用特性为研究对象。系统研究了模拟月壤物理力学特性、细观本构特性、器壤间力学特性、冲击过程细观表征方法等问题，按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得主要成果如下：.（1）模拟月壤物理和力学参数测试研究，对模拟月壤的三轴压缩性能进行了测试，研究得到了模拟月壤细观参数与土力学宏观性能的参数匹配方法；基于EDEM离散元仿真平台，开发了参数匹配模块；基于此模块，对现有模拟月壤进行了参数灵敏度分析及参数匹配研究，研究得到的离散元本构可以应用于器壤动态冲击过程，验证了参数匹配方法及结果的有效性。基于滚动等效法，研究了利用球状颗粒模拟非球形月壤颗粒特性。.（2）研制了着陆器着陆冲击综合实验平台，进行了模拟月壤与着陆器间的作用特性试验，对理论模型和研究方法进行了验证和完善。分析不同着陆模式（着陆质量、着陆速度、着陆姿态）工况下着陆冲击响应特性，获取了不同着陆模式下的着陆特征参数，分析了着陆器与月壤散体系统间物质相互作用特性。.（3）基于bekker理论建立了着陆器受力理论模型；基于该模型细化了着陆缓冲的不同阶段，针对不同阶段的特点，研究了不同着陆质量及着陆速度下，着陆速度、冲击力、过载、着陆冲击位移等动态响应的规律，仿真结果和试验结果验证了模型的合理性。并基于此模型研究了不同重力加速度下动态响应规律。该模型可以为后续优化着陆器设计提供了依据。.（4）建立了月壤与着陆器间的接触力学模型，分析了着陆冲击过程中的着陆器的负载特性；研究了不同着陆质量、着陆速度及不同着陆姿态下，着陆速度、冲击力、过载、月壤下陷量的特性，量化了输入输出之间的对应关系，为后续着陆器优化设计提供了技术支撑，为小行星着陆附着技术的积累提供了计算方法及技术储备。