航天器着陆缓冲装置设计及性能分析

航天器着陆缓冲装置设计及性能分析
Abstract：In this paper，the design and analysis method of the landing gear of spacecraft is studied. The key technologies in the process of developing the landing gear is summarized from two aspects：engineering design and simulation analysis. Several main problems that need to be solved in the process of design and analysis are summarized. Combined with a set of design parameters of a certain type of landing gear of spacecraft，the simulation calculation is carried out，and the calculation results are used to verify the accuracy and validity of the design scheme.
Keywords：landing gear of spacecraft; engineering design; simulation analysis
1 概述
本文給出了一种航天器前着陆缓冲器的设计方案，针对该方案进行迭代设计后得到的一组设计参数进行缓冲性能仿真分析。

借助LMS b 10软件建立了着陆架动力学模型并进行了仿真计算，对设计方案和设计参数的正确性和有效性进行了验证。

2 前着陆缓冲器的设计
前着陆架缓冲器主要由外筒、活塞杆、扭力臂、阻尼阀、浮动活塞、凸轮等组成，如图1所示。

缓冲支柱采用油-气分离式结构，浮动活塞安装于活塞杆孔内将缓冲支柱分为上、下腔，上腔为油腔，下腔为气腔。

阻尼阀安装在活塞杆杆头，缓冲支柱工作时油液流经阻尼阀上小孔实现缓冲。

前着陆架缓冲器主要的设计参数如表1所示。

3 着陆架动力学模型
采用商业软件LMS b 10进行动力学仿真分析，在软件中搭建前着陆架动力学模型：
（1）各运动关节按照实际落震时的自由度进行创建。

（2）轮胎采用“Complex Tire”。

（3）缓冲支柱轴向力按常规分析方法分为三个部分组成：空气弹簧力fa、油液阻尼力fd和摩擦力ff。

此外，在缓冲支柱全伸长和全压缩状态下，还存在结构限制力，其中：空气弹簧力、油液阻尼力和摩擦力由式（1）-（3）得出。

Aa-缓冲器气室有效压气面积;P0-缓冲器初始充气压力;Patm-当地大气压;μm-皮碗当量摩擦系数;ν-空气压缩多变指数;ρ-油液密度;Ah-缓冲器有效压油面积;Ad、Ad1-正反行程时主油孔面积;Cd、Cd1-分别为正、反行程时主油孔缩流系数;Ahs、Cds-分别为回油腔有效压油面积和油孔缩流系数;An、An1-分别是正、反行程时回油腔油孔总面积;μb-库仑摩擦系数;Nu、N1-分别为缓冲支柱上下支撑点处产生的正压力。

4 仿真分析结果
通过调整轮胎充气压力、气腔体积以及正、反行程阻尼孔直径来优化起落架落震缓冲性能。

经多次迭代设计后，缓冲器可得到了一组满足缓冲性能要求的设计参数。

针对设计着陆工况进行包含机轮带转的起落架落震仿真分析。

缓冲器载荷随时间变化曲线如图2所示。

由曲线可见，着陆架无跳离地面的现象，油峰载荷为*****N，气峰载荷为*****N，两者偏差很小。

缓冲器载荷随行程变化曲线如图3所示，由曲线可看出缓冲器功量图饱满，缓冲器效率达到88.3%。

通过分析落震仿真计算结果，缓冲器最大行程为188.255mm，小于缓冲器设计最大行程的90%（193.5mm），满足使用需求。

经过三个行程的正向、反向缓冲耗能，缓冲器恒定在停机压缩量左右。

同时，缓冲器第一个正、反行程共用时0.39s，满足设计规范中小于0.8s的设计要求。

缓冲器气峰最大载荷为*****N，油峰载荷为*****N，油峰、气峰载荷较为接近，缓冲器缓冲性能比较理想。

5 结论
本文给出了一种航天器前着陆缓冲器的设计方案，并且对该方案的缓冲性能进行了仿真分析。

分析结果表明：该缓冲器设计方案及设计参数可以解决着陆架跳起现象，同时满足落震载荷、过载及效率等缓冲性能的要求。