文摘

着陆小行星的机制与柔软的表面。它由三脚着陆,着陆的腿,万向元素,阻尼元件,设备基础、锚定系统,等等。静态结构分析和模态分析进行检查降落的强度和固有频率与有限元分析机制。介绍了测试平台的锚泊系统,然后穿透和锚定锚定系统的测试是在不同的媒体。这表明凝聚力的媒体大影响渗透和锚定锚定系统的性能。降落着陆的测试机理模拟微重力环境下以不同的速度进行air-floating平台,和影响加速度传感器测量的登陆机制。同时,处理这些影响加速度频谱分析发现着陆机制的固有频率。

1。介绍

小行星起源于早期太阳系的形成和宇宙的分布几乎无处不在。它们类似于彗星的大小,质量,轨道性格,形成时间,等等。一些小行星有丰富的矿产资源和原材料的太阳系最初的形成,所以他们有非常重要的科学和经济价值1,2]。目前,降落在小身体,包括小行星和彗星,是探索的热点。到目前为止,日本已经从小行星和取样成功着陆3]。此外,NASA已经花费大量的精力在小身体降落探索,如宇宙飞船附近(4,5]。与此同时,欧洲航天局启动了罗塞塔彗星探测器探索通过登陆(6]。小行星和彗星是相似的在某些物理性质约束着陆器如上所述的设计;因此一些彗星探测器的设计经验小行星着陆器的重要指导设计。因此,罗塞塔探测器提出了即使是一颗彗星探测器。

有许多方法来探索小行星,如地面观测、探测轨道的航天器(7],采样返回[8,9),探索降落在他们(6,10]。其中,着陆探索探索小行星是一种有效的方法。月球和火星一直在探索成功着陆。着陆勘探的优点如下:(1)着陆勘探可以原位分析小行星的媒体;(2)登陆小行星的探测可以获得全面的数据,而这些数据是很有用的对未来的小行星探索,如改变小行星的轨道,以避免他们惊人的地球11]或引导小行星富含矿物质,有价值的金属,水,等等12)土地在地球上解决能源短缺问题,同时获得巨大的经济价值。此外,我们可以选择一个小行星基地探索太阳系(11)等等。

因此,有必要开发登陆登陆小行星的机制。到目前为止,已经应用于月球着陆器着陆机制,火星着陆器和彗星探测器。NASA已经开发了大量的登陆机制有三个或四条腿登陆月球和火星,和他们的腿是否可折叠。他们中的大多数是由铝蜂窝缓冲(13,14]。DLR和议员也开发了ESA的彗星降落机制(15]。它有三条腿,由电磁阻尼缓冲,它可以调整设备基础的态度。罗塞塔登陆机制的最特别的特征是,它有一个锚定机制来避免着陆器离彗星表面流动。作为登陆小行星着陆机制是非常重要的小行星,小行星着陆和原位探索(ALISE)着陆小行星机制与柔软的表面。

本文首先分析了小行星着陆环境。然后,ALISE着陆机制设计适合着陆小行星的环境。第三,有限元分析(FEA)被用来估计的强度和模态频率着陆机制。第四,实验测试进行着陆性能的机制。实验包括渗透/锚定锚定系统的测试和着陆测试模拟微重力环境下生成的air-floating平台。顺便说一句,有限元分析的有效性是光谱分析证实的加速度信号机制当着陆着陆。

2。结构设计ALISE着陆的机制

2.1。着陆小行星的环境

着陆环境是必须考虑的一个关键因素,在设计的登陆机制。小行星着陆月球和火星的环境是不同的,但在某些方面类似的彗星,并总结在表1。然而,小行星和彗星的表面强度是不合理科学;因此他们没有比较表1。它可以发现,这颗小行星的引力小,旋转周期短,表面粗糙,等等。这些特征约束的结构配置小行星着陆机制和诱导,它不同于月球和火星。小行星着陆的一些设计约束机制如下。(1)登陆机制很容易反弹,让思绪由于微重力和大型小行星的离心力。(2)登陆机制将倾向于推翻当着陆,因为小行星的粗糙表面。(3)设备基地降落的态度机制应可调适合小行星的粗糙表面。(4)软着陆是必要的,以避免崩溃的乐器。

此外,小行星的表面强度在很大程度上是根据综合材料的不同。地方强度非常高;然而,强度很低。因此,小行星的表面强度也限制了着陆的设计机制。摘要ALISE着陆小行星表面用软机制设计。

2.2。结构设计

ALISE着陆机制包含三条腿起落架和一个锚定系统,及其示意图如图1。这个设计的灵感来源于罗塞塔着陆器和ST4 / Champollion探测器(10,16,17]。的照片登陆机制如图2。机械性能和着陆性能参数如表所示2。

起落架包含脚着陆,着陆腿,万向元素,阻尼元件,设备基础,等等。锚固系统是用来避免着陆器消逝在微重力下。它包含锚元素,推进元素,复卷元素,缓冲元素,等等。锚定系统是锥形的尖端,它可以伸展开后渗透提高锚固力。

着陆腿折叠。有锥子着陆脚下阻止登陆机制着陆时滑。在着陆的脚有触点开关信号生成着陆。万向元素能吸收水平影响当着陆和调整设备基地降落后的态度。阻尼元件工作在电磁原理吸收垂直着陆时的影响。其阻尼常数900海里/ s和中风大约是0.13米。推进元素将锚定锚定系统的元素渗透小行星的表面在高速度。锚定元素连接到复卷元素和一个线程可以穿透后展开。当时锚元素的渗透,复卷元素将会迅速倒带线程。当线程紧张的瞬间,压缩弹簧的缓冲元件主要包括保护复卷电机将吸收的影响。 A retrorocket as a part of the control system is designed on the top of the equipment base. The retrorocket would be activated at the time of landing and supply a constant force lasting about 5 seconds toward the equipment base to prevent the landing mechanism from rebounding.

2.3。有限元分析的结构

2.3.1。静态结构分析

检查结构强度有限元分析处理当着陆着陆的机制。允许的过载加速度的设备基础,质量78公斤(登陆机制和有效负载的总质量是100公斤,和起落架的总质量,着陆的脚,和锚定系统约22公斤),设置为10 g。因此,最大惯性力作用于登陆机制着陆时约为7800 N。所以力用于分析结构强度为7800 N,和阻尼力是作用于元素。此外,平面约束是放在三英尺。分析结果如图所示3。struts从异形铝制造。他们的部分是广场,厚度约为2.2毫米。它可以发现,约0.0029米,最大变形和最大等效应力约为176 MPa小于屈服强度的铝合金7 a09 (400 MPa)制造着陆机制。所以着陆的结构强度和变形机制是合理的。

2.3.2。模态分析

模态分析用于理解振动特征的登陆机制。在报纸上,只有情态动词的部署状态进行了分析,这些模态频率将用于着陆的实验分析。在模态分析中,无摩擦约束放在降落的支持机制,模拟支持着陆的约束机制在air-floating平台上所示部分3所示。2。的模态频率部署机制如图着陆4。

它可以发现模式,模式7,9日模式和模式15诱发的振动着陆腿降落的方向(设在),模式9诱发的振动设备基地降落的方向(设在)和模式8、10和11诱发的振动设备基础。

3所示。实验

3.1。锚定系统测试

3.1.1。测试平台

测试平台的锚泊系统如图5。锚定元素发射的粉通过触发器被触发,触发是由电缆控制的。当锚体被锚定的元素,锚体的发射速度是衡量里程表,穿透深度是衡量锚体后方的线程。然后退出了锚体介质的摇臂通过滑轮。之间有一个测力计摇臂和滑轮;因此,锚固力锚定元素会被测量。支架的高度可以提高根据介质的厚度时,渗透速度高。锚体安装在固定元素如图5。约288毫米的长度,直径大约是26毫米,质量大约是600 g。

摘要两种媒体(粘土和银砂)是用来测试锚定系统的性能。媒体的属性如表所示3。粘土是一些凝聚力和银流动,他们代表了两种不同类型的媒体。

3.1.2。测试结果和分析

穿透深度和锚的锚固力的身体在两个媒体测试不同的渗透速度。

图6显示了穿透深度和渗透速度之间的关系在土壤和沙子媒体中,线性安装和测试数据。可获得一些结论如下:(1)凝聚力的穿透深度的媒体有很大的影响;(2)穿透深度增加几乎线性渗透速度;(3)凝聚力是越小,越陡峭的穿透深度变化的渗透速度。

图7显示了锚固力之间的关系和穿透深度土壤和沙子媒体,并安装线性测试数据。一些结论可以得到如下。(1)土壤的锚固力随深度但在沙子几乎保持恒定。这表明深度影响不大的锚固力非常低凝聚力媒体。(2)土壤的锚固力似乎变化缓慢时,深度达到一定值根据测试数据没有配件。然而,只有5组测试数据,需要进一步验证这一趋势更多的测试数据。

3.2。模拟微重力环境下降落测试

3.2.1之上。测试平台

降落着陆性能的机制是air-floating上生成模拟微重力环境下测试平台。air-floating平台登陆机制的示意图如图8。

着陆测试进行10°着陆斜率的着陆速度逐渐增加。着陆加速度测量的加速度传感器。降落着陆态度的机制和传感器的位置如图8。传感器1、2和3分别坐落在三个着陆的脚用来测量影响脚着陆方向的加速度。传感器是相同的索引的脚。传感器4定位设备基础,是用来测量设备基地降落的加速度方向。

3.2.2。测试结果和分析

三组不同着陆着陆的速度进行测试。着陆加速度由低通滤波器的截止频率过滤定义信号的频谱分析和模态分析的登陆机制部分2.3。加速度信号的频谱分析在不同的着陆速度数据所示9,10,11分别和相应的加速度信号滤波后的结果如图12,13,14,分别。除此之外,在三组着陆的测试中,锚定系统可以牢牢锚着陆着陆斜率的机制。

着陆的分析测试数据显示9,10,11,12,13,14如下。(我)登陆机制的自然频率谱分析获得的加速度信号基本上是按照由模态分析结果如表所示4。模态分析的有效性和着陆加速度相互验证。(2)着陆时的态度(1-1-1着陆模式)如图8,它可以在数据中找到12,13,14着陆机制联系着陆坡脚3首先,然后英尺2英尺1与着陆斜率几乎同时发生冲突。(3)最大加速度的传感器与着陆速度明显提高,如表所示4;除了最大加速度传感器3是1.2 g着陆时m / s。这个值小于正常价值。可能引起的加速度传感器3的方向不平行于降落方向因为降落之间的销钉连接腿和脚着陆。(iv)最大的加速度是步行2当着陆,然后步行3和脚1。最小的加速度是对设备基础。加速度的设备基地降落都不到10 g。因此,它可以发现阻尼元素起着重要的作用在保护仪器安装在设备基础。

着陆的倾斜机制可以测量的陀螺仪固定着陆机制。然而,陀螺仪系统正在开发中。它将在未来的测试装备。

4所示。结论

ALISE着陆小行星机制与柔软的表面。它的质量是大约45公斤,最大载荷是55公斤。其刚度高,模态频率覆盖范围从21.6 Hz 100.7赫兹,和自然频率的登陆机制获得的光谱分析着陆加速度是根据有限元分析的结果。锚固系统的穿透深度和锚固力与凝聚力的媒介。凝聚力是越大,渗透深度越小。此外,凝聚力就越小,越陡峭的穿透深度变化的渗透速度。深度不影响锚固力非常低凝聚力媒体。降落着陆的影响机制与着陆速度,增加和设备基础的加速度小于10 g。因此,登陆机制的设计是合理的。

在未来,更多的渗透和锚定测试在各种软硬媒体将进行验证锚固系统的性能。同时,登陆不同的态度和速度将air-floating平台上进行总结降落着陆性能的机制。

确认

这项工作是财政支持的国家高技术研究发展计划(863计划)(没有。2008 aa12a214),中国国家自然科学基金(没有。51105091)和国家重点科研项目计划(没有。2013 cb733103)。

补充材料