小天体着陆器附着机构设计研究

关键词： 小天体，着陆器，软着陆，微重力，缓冲，动力学仿真
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小天体着陆器附着机构设计研究
Abstract
Small body exploration is one of the most important fields in deep space exploration. In recent 30 years, a great develop have taken place in this field. NASA, ESA and JXSA have launched a series of small body spacecrafts and they promote greatly on research about small bodies. According to the trend that the spacecraft will attach and sample on the small bodies’ surface, a preliminary research on our country’s small bodies Lander attaching scheme and mechanisms is discussed based on the summary of the achievement of the attaching scheme aboard. The features of small bodies such as litter gravity, big change in temperature, irregular shape and the imprecision surface soil, deeply influence the landing and attaching concept of the spacecraft. Considering those; the following works are carried out: 1. Three different possible attaching technologies and the sampling methods for each one for use with small bodies are discussed, and the long-term landing technology developed in greater detail. Long-term landing attaching mechanisms include the absorbing mechanism and the anchoring mechanism. 2. Two kinds of absorbing mechanisms are designed for long-term landing scheme. The legs, dampers and footpads of them are analyzed. The tentative ideas of using advantage C/C composite friction disk and electromagnetic damper based on Linear Motor principle for absorbing mechanism damper are discussed. 3. The landing dynamic is analyzed and the landing virtual prototype is established with ADAMS. The objective of the simulations of the landing on a small body is the analysis and understanding of the dynamics of the Lander on impact on the small body surface. Some conclusions are gotten with the analysis for several conditions: the CG overlords of the spacecraft are all below the standards; when the surface friction coefficient is small, the longitudinal velocity of the spacecraft could reduce to zero, but there might be litter retained on lateral velocity, this needs the control thrust produced by the engines or anchoring force to get the Lander still.
图 1.1 Halley(哈雷)彗星
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小天体着陆器附着机构设计研究 注[3]：这张图片是 Giotto 探测器 1986 年 3 月 13 日在 600km 处拍摄的，发现彗核比预计的 要大(16km x 7.5 km x 8 km)，反照率比预想的低(0.04)，可以确定彗核是一个‘脏雪球’ ，地形 有很多凹凸，表面覆盖着一层黑色天鹅绒一样柔弱光滑的尘埃，密度很低 0.3g/cm3。彗核大概 有 10%处于活跃状态，向外喷射气体和尘埃形成慧发和彗尾。
1.2 课题研究的背景和意义
1.2.1 课题研究的背景
目前，我国正在实施月球探测一期工程，月球探测二、三期工程也已纳入国家中长期科学 和技术发展规划重大专项，我国的深空探测研究迎来了前所未有的发展机遇。月球是地球的天 然卫星，成功实现月球探测之后，进行更远深空目标（火星或小天体）的探测是必然趋势。而 小天体探测具有较高的技术含量，可以带动空间技术和空间科学研究能力的提升，促进航天技 术的发展和科学技术的全面进步。另外，实施小天体探测，是演示验证深空探测新技术的有效 途径，可为未来深空探测重大工程奠定技术基础。近年来，美国、日本和欧空局相继实施的小 行星和彗星探测计划，都不同程度地集成演示了所开发的深空探测新技术。 重返月球和载人火星探测是二十一世纪深空探测的重点目标，小天体的探测也是深空科学 探测的重要研究方向。与火星或其他大行星探测比较，小天体探测的成本与风险相对较小，基 于我国目前的深空探测计划，在开展月球探测的同时，开展以新技术演示为目的的小天体探测 任务的先期研究与关键技术攻关工作，是推进我国深空探测技术飞跃发展的有效途径之一。通 过小天体探测可为我国未来开展月球着陆探测、火星探测乃至参加国际深空探测计划提供技术 储备。 由上海航天技术研究院研制的中国第一个火星探测卫星“萤火一号”(图 1.2)将在 2009 年 10 月搭载俄罗斯 Phobos-Grunt 火星和火卫一探测任务飞船开始中国的火星探测之旅， 目前小天 体探测也正在被提上议程，有关小天体探测科学目标规划、自主导航控制、附着技术等预先研 究工作已经展开，本文正是在附着技术预先研究课题之一。
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南京航空航天大学硕士学位论文
第一章 绪论
1.1 小天体探测简介
根据 2006 年国际天文学联合会(IAU)第 26 届大会上的行星定义决议[1]， 将除行星和矮行星 的其他围绕太阳运转的天体，卫星除外，统称为“太阳系小天体” ，这些现在主要包括大多数的 太阳系小行星，大多数的海外天体(TNOs)，短周期和长周期彗星，其中近地小行星和短周期彗 星又称为“近地小天体(NEOs)” 。 小天体探测是指通过发射探测器携带各类科学探测仪器近距离飞越、绕轨道运行、撞击、 附着着陆小天体等方式对小天体进行观测研究，获取小天体形状、大小、质量、质量分布、重 力、磁场、自转率、化学成分和主要矿物全球分布特性等信息。小天体探测如同月球探测、火 星探测一样是深空探测的组成部分，是人类探索太阳系起源及演化过程，研究近地小天体撞击 地球的潜在危险的重要手段。 小天体探测相对于月球探测、火星探测起步较晚，1978 年 8 月 12 日发射的国际日地探险 者-3(ISEE-3 后改为国际彗星探险者，ICE)从 1983 年开始通过数次地球和月球引力加速后与 21P/Giacobini-Zinner 和 1/PHalley 两颗彗星会合[2]，拉开了航天器探测小天体的序幕。随后针对 Halley 彗星(图 1.1)1986 年回归， 美国、 欧空局、 前苏联和日本相继发射了一系列探测器与 Halley 彗星交会进行探测，获得了大量有关 Halley 彗核、彗发和彗尾的数据，一时间国际上掀起了小 天体探测的高潮。随着对小天体科学研究的深入和航天技术的发展，科学家们为了获得小天体 更多更准确的数据信息，近 20 年来，各国又发射了多个小天体探测器，这些探测器不仅仅满足 于和小天体交会进行近距离飞越探测，并且通过绕小天体轨道勘测、高速撞击探测、软着陆附 着和取样返回等更先进的探测方式对小天体进行研究，成功地完成了科学任务，推动着小天体 研究和深空探测技术的发展。
Key words: Small bodies, Lander, Soft-landing, Microgravity, Buffering, Dynamics simulationIIFra bibliotek承诺书
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南京航空航天大学 硕士学位论文 小天体着陆器附着机构设计研究 姓名：吴志斌 申请学位级别：硕士 专业：飞行器设计 指导教师：聂宏 20081201