混合式转移机构结构设计方法与动力学特性分析

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转移机构是将着陆器搭载的巡视器转移释放到星球表面的组件,它在地外天体探测领域有着重要应用。转移机构所代表的转移释放技术是整个地外天体探测任务所需的技术体系中的关键技术之一,是决定探测任务成败的关键一环。因此,研究转移释放技术历来被世界航天大国所重视。基于未来我国月球、火星探测任务对转移机构的需求,本文以转移释放技术为研究对象,有针对性地提出混合式转移机构(Hybrid Transfer Mechanism,HTM),并对其开展结构设计方法、动力学、力学性能等方面的研究。本文的研究内容如下:  1)在分析几种典型转移机构方案特点的基础上,提出混合式转移机构方案。该方案由摇臂、摆杆、导轨、悬梯、丝杠滑块机构、锁紧机构以及缓释机构等组成,动力源由力矩电机提供。力矩电机控制缓释机构放绳速度,丝杠滑块机构控制摆杆摆动速度,从而控制导轨悬梯组合体上巡视器的下降速度。混合式转移机构工作过程包括解锁、展开、调姿、转移及着地5个阶段,不同阶段由不同的机构形式实现。  2)基于哈密顿原理和含约束的拉格朗日法,建立混合式转移机构-巡视器系统(Hybrid Transfer Mechanism-Inspector System,HTMIS)的动力学数学模型。并以此为基础,利用Newmark法求解HTM工作过程中巡视器运动趋势曲线,为开展HTMIS动力学仿真提供有益支撑。  3)基于对HTM工作原理和运动学过程的分析,建立HTMIS动力学控制模型。并以此为基础对HTMIS进行水平面着陆工况、前倾15着陆工况、后仰15着陆工况、侧倾15着陆工况下的动力学仿真。动力学仿真表明四种工况下混合式转移机构都能平稳安全地将巡视器转移释放到地面。  4)基于动力学仿真得到的巡视器运动曲线和核心部件受力曲线,确定四种工况下核心部件受力危险时间点。并以此为基础进行有限元仿真,校核工作过程中核心部件的强度和探索HTM的最大承载能力。仿真结果表明:四种工况下工作过程中的第二阶段核心部件应力、应变、变形最大,但均未发生强度破坏;四种工况中侧倾15着陆工况为最危险的工况。  本文提出的混合式转移机构,作为一种新思路,希望能为我国转移释放技术研究人员提供借鉴。
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