月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103678822 A (43)申请公布日 2014.03.26 CN 103678822 A (21)申请号 201310727234.1 (22)申请日 2013.12.25 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 5 号 (72)发明人 刘莉 周思达 董威利 杨武 陈树霖 张南富 (54) 发明名称 月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法 (57) 摘要 本发明涉及一种月球探测器软着陆冲击力学 环境预示方法， 属于深空探测技术领域。 本发明通 过建立探测器月面软着陆的非线性有限元模型， 利。

2、用广义动力缩聚方法对探测器进行模型降阶， 达到提高求解效率的目的 ； 然后对降阶模型进行 非线性有限元求解， 得到测探器结构的动力学响 应 ； 在得到关心位置处的加速度响应后， 采用递 归数字滤波方法计算结构加速度响应的冲击谱， 用于描述探测器着陆冲击的力学环境 ； 最后采用 包络谱的方法得到最大期望环境， 用于制定设备 的设计和测试条件， 提高了求解效率， 缩短了产品 设计周期。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 10367882。

3、2 A CN 103678822 A 1/1 页 2 1. 月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 其特征在于 ： 具体包括如下步骤 ： 步骤 1 ： 对月球探测器进行激励预测， 根据激励的特征选用有限元预测方法预测探测 器着陆时的动力学响应 ； 步骤 2 ： 采用数学模型预测的方法获取探测器上测点的加速度响应， 所述测点为舱板 上的全部有限元节点 ； 步骤 2.1 ： 建立月球探测器软着陆动力学的非线性有限元模型 ； 所述非线性有限元模 型包括中心体、 燃料贮箱、 月球车、 缓冲机构和月壤有限元模型 ； 步骤 2.2 ： 利用广义动力缩聚方法对探测器中心体有限元模型进行模型降阶 ； 步骤 2。

4、.3 ： 对降阶后的探测器中心体有限元模型加载载荷， 进行非线性有限元仿真， 得 到所有测点的加速度响应 ； 步骤 3 ： 对探测器着陆时的冲击力学环境进行描述 ； 步骤 3.1 ： 提取探测器中心体同一舱板上所有测点的加速度响应 ； 步骤 3.2 ： 用递归数字滤波法将同一舱板上所有测点的加速度响应转换为冲击响应 谱 ； 步骤 4 ： 确定最大期望环境 ； 最大期望环境是探测器着陆冲击力学环境的预期上限， 能 对区域内全部点的预测频谱进行约束， 保证任何点都不会严重超过频谱范围 ； 采用最大频 谱作为最大期望环境 ； 具体确定方法为 ： 将步骤 3.2 得到的探测器中心体同一舱板上所有测点加。

5、速度的冲击 响应谱进行包络 ； 然后根据探测器着陆中遇到的多种典型工况改变探测器的着陆姿态， 每 改变一次工况重复步骤 2.3 至步骤 3.2， 得到每种工况下同一舱板上所有测点加速度的冲 击响应谱的包络谱 ； 最后将上述所有典型工况下同一舱板上所有测点加速度的冲击响应谱 的包络谱再取包络， 作为探测器着陆冲击时该舱板的最大期望环境 ； 步骤 5 ： 制定探测器着陆冲击力学环境的试验条件， 为探测器上有效载荷的设计修改 和优化提供决策信息 ； 制定时考虑相同频率段、 已有的探测器运载火箭发射段、 地月转移 段、 环月段的力学环境的测试标准 ； 将其它阶段的力学环境条件转换为相应的冲击响应谱， 。

6、如果能覆盖着陆冲击段的最大期望环境， 则不需要制定额外的测试条件 ； 如果不能覆盖着 陆冲击段的最大期望环境， 则提高原有的测试条件或者制定额外的测试条件。 2. 根据权利要求 1 所述的月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 其特征在于 ： 模 型非线性体现在月壤材料和缓冲机构中缓冲材料的弹塑形本构关系以及缓冲机构与月壤 的接触关系中。 3. 根据权利要求 1 所述的月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 其特征在于 ： 本 发明使用加速度的冲击响应谱描述探测器的冲击力学环境。 4. 根据权利要求 1 所述的月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 其特征在于 ： 所 述的多种典型工况包括探测。

7、器着陆于水平月面且无初始水平速度、 探测器着陆于水平月面 且有初始水平速度、 探测器的着陆腿以对称方式着陆于斜坡月面、 探测器的着陆腿依次着 陆于斜坡月面。 权 利 要 求 书 CN 103678822 A 2 1/6 页 3 月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法 技术领域 0001 本发明涉及一种月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 属于深空探测技术领 域。 背景技术 0002 为实现月面软着陆探测任务， 月球探测器系统将经历两大过程 ： 飞行着陆过程和 月面工作过程。根据目前的研究成果， 月球基本没有地质活动， 因此安全着陆后， 除探测器 系统各机构运动产生的小量扰动外， 无典型的力学环。

8、境。 所以， 探测器系统的主要力学环境 均体现在飞行着陆过程中。 飞行着陆过程又可分为运载火箭发射段、 地月转移段、 环月段和 动力下降段四个部分。其中前三段与传统卫星， 特别是环月探测卫星经历的力学环境基本 一致， 主要包括发射段由运载火箭传递的力学环境， 大气层内飞行的噪声环境， 以及探测器 变轨时发动机点火产生的冲击环境。 0003 动力下降段是月球软着陆任务特有的飞行阶段， 在其末段， 探测器会从约 4m 的高 度自由降落到月球表面。 在着陆冲击过程中， 探测器需要经历一个瞬态冲击载荷， 能否经受 得住这一力学环境是软着陆能否成功的关键。 因此有必要在方案设计阶段就对此环境做出 预示，。

9、 以制定设备的设计和测试条件。力学环境的预示一般采用三种方法 ： 试验测试方法、 相似结构外推法和数学模型预测法。 试验测试的方法需要等到探测器初样阶段以后才能进 行， 在方案设计阶段是不可行的。 探测器行星着陆任务在我国深空探测活动中尚属首次， 其 着陆冲击段所经历的力学环境没有相关的经验及实测数据积累， 相似结构外推的方法也是 不可行的。因此， 要在探测器方案设计阶段预示其着陆冲击力学环境就需要采用数学模型 预测的方法。 0004 目前为止， 国际上常用的月球探测器数学模型大致可分为三类 ： 刚体动力学模型、 刚柔耦合动力学模型和非线性有限元模型。刚体动力学模型计算效率高， 但是没有考虑结。

10、 构柔性， 不能真实反应探测器有效载荷的冲击响应。刚柔耦合动力学模型无法描述月壤的 弹塑性变形， 探测器缓冲机构与月壤的相互作用依赖于经验公式。非线性有限元模型能够 很好的考虑探测器柔性变形和各种非线性因素的影响， 试验表面采用非线性有限元模型的 分析结果优于前两者。 但是三种模型之中， 非线性有限元模型求解效率最低， 影响设计人员 工作效率， 因此如何得到一个精确而高效的数学模型成为探测器软着陆冲击力学环境预示 的关键技术之一。 发明内容 0005 本发明的目的是为解决不能真实反应探测器有效载荷冲击响应的问题， 提出一种 基于非线性有限元分析的月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法， 适用于探。

11、测器方案设 计阶段。 0006 本发明的技术方案具体包括月球探测器建模方法和力学环境分析方法 ： 首先， 建 立探测器月面软着陆的非线性有限元模型， 利用广义动力缩聚方法对探测器进行模型降 说 明 书 CN 103678822 A 3 2/6 页 4 阶， 达到提高求解效率的目的 ； 然后对降阶模型进行非线性有限元求解， 得到测探器结构的 动力学响应 ； 在得到关心位置处的加速度响应后， 采用递归数字滤波方法计算结构加速度 响应的冲击谱， 用于描述探测器着陆冲击的力学环境 ； 最后采用包络谱的方法得到最大期 望环境， 用于制定设备的设计和测试条件。 0007 一种月球探测器软着陆冲击力学环境预。

12、示方法， 具体包括如下步骤 ： 0008 步骤 1 ： 对月球探测器进行激励预测， 即根据激励的特征选用有限元预测方法预 测探测器着陆时的动力学响应。 0009 步骤 2 ： 采用数学模型预测的方法获取探测器上测点的加速度响应， 所述测点为 舱板上的全部有限元节点。 0010 步骤 2.1 ： 建立月球探测器软着陆动力学的非线性有限元模型。所述非线性有限 元模型包括中心体、 燃料贮箱、 月球车、 缓冲机构和月壤有限元模型。 0011 模型非线性体现在月壤材料和缓冲机构中缓冲材料的弹塑形本构关系以及缓冲 机构与月壤的接触关系中。 0012 步骤 2.2 ： 利用广义动力缩聚方法对探测器中心体有限。

13、元模型进行模型降阶。 0013 步骤 2.3 ： 对降阶后的探测器中心体有限元模型加载载荷， 进行非线性有限元仿 真， 得到所有测点的加速度响应。 0014 步骤 3 ： 对探测器着陆时的冲击力学环境进行描述。本发明使用加速度的冲击响 应谱描述探测器的冲击力学环境。 0015 步骤 3.1 ： 提取探测器中心体同一舱板上所有测点的加速度响应。 0016 步骤 3.2 ： 用递归数字滤波算法将同一舱板上所有测点的加速度响应转换为冲击 响应谱。 0017 步骤 4 ： 确定最大期望环境 （Maximum expected environment， MEE） 。最大期望环 境是探测器着陆冲击力学环境。

14、的一个预期的上限， 它能够对区域内全部点的预测频谱进行 约束， 保证任何点都不会严重超过频谱范围。 为了保证测试能够产生一个保守的结果， 本发 明采用最大频谱作为最大期望环境。 0018 具体确定方法为 ： 将步骤 3.2 得到的探测器中心体同一舱板上所有测点加速度的 冲击响应谱进行包络。然后根据探测器着陆中遇到的多种典型工况改变探测器的着陆姿 态， 每改变一次工况重复步骤 2.3 至步骤 3.2， 得到每种工况下同一舱板上所有测点加速度 的冲击响应谱的包络谱。 最后将上述所有典型工况下同一舱板上所有测点加速度的冲击响 应谱的包络谱再取包络， 作为探测器着陆冲击时该舱板的最大期望环境。 001。

15、9 所述的多种典型工况包括探测器着陆于水平月面且无初始水平速度、 探测器着陆 于水平月面且有初始水平速度、 探测器的着陆腿以对称方式着陆于斜坡月面、 探测器的着 陆腿依次着陆于斜坡月面。 0020 步骤 5 ： 制定探测器着陆冲击力学环境的试验条件， 为探测器上有效载荷的设计 修改和优化提供决策信息。 制定时考虑相同频率段、 已有的探测器其它阶段 （运载火箭发射 段、 地月转移段、 环月段） 的力学环境的测试标准。方法是将其它阶段的力学环境条件转换 为相应的冲击响应谱， 看是否能覆盖着陆冲击段的最大期望环境。 如果能覆盖， 则不需要制 定额外的测试条件。 如果不能覆盖， 则考虑提高原有的测试条。

16、件或者制定额外的测试条件。 0021 有益效果 说 明 书 CN 103678822 A 4 3/6 页 5 0022 本发明利用月球探测器的数学模型预示其着陆冲击的力学环境， 能够在月球探测 器设计的初始阶段为探测器上的雷达、 相机、 天线、 矢量发动机、 桅杆等众多有效载荷提供 设计上的限制条件， 不依赖于任何试验数据， 节约了产品设计成本 ； 在对月球探测器软着陆 动力学进行分析前， 采用广义动力缩聚的方法对探测器中心体模型进行模型降阶， 提高了 求解效率， 缩短了产品设计周期。 附图说明 0023 图 1 为本发明的月球探测器软着陆冲击力学环境预示方法的流程示意图 ； 0024 图 2。

17、 为具体实施方式中月球探测器的装配体有限元模型示意图 ； 0025 图 3 为具体实施方式中探测器缓冲支柱对中心体的激励力的幅频特性曲线 ； 0026 图 4 为具体实施方式中冲击响应谱概念图 ； 0027 图5为具体实施方式中5种典型工况下中心体顶板所有测点加速度冲击响应谱包 络谱的再次包络 ； 0028 图 6 为具体实施方式中正弦振动环境等效的加速度冲击响应谱与有限元求解得 到的中心体顶板冲击响应谱的比较 ； 0029 图 7 为具体实施方式中随机振动环境等效的加速度冲击响应谱与有限元求解得 到的中心体顶板冲击响应谱的比较。 0030 标号说明 ： 1- 月球车， 2- 中心体， 3- 。

18、缓冲支柱， 4- 足垫， 5- 月壤。 具体实施方式 0031 以中心体顶板 （探测器结构有限元模型见图 2） 为例， 制定其冲击力学环境设计及 测试条件。 0032 步骤 1 ： 激励预测， 根据激励的特征选用合适的方法预测结构的动力学响应。 0033 对于月球软着陆探测器， 由于着陆缓冲器的限幅作用， 作用在探测器基体主结构 上的激励能量主要集中在低频段， 因此探测器主结构的动力学响应也集中在低频段， 根据 NASA 手册 NASA-HDBK-7005 ， 可以使用有限元方法来进行响应的预测， 即探测器软着陆动 力学响应为一个低频的瞬态动力学问题。 0034 步骤 1.1 ： 建立月球探测。

19、器月面软着陆的刚体动力学模型。 （多数常用的刚体动 力学软件和非线性有限元软件的刚体动力学求解器都可以实现， 如 MSC.ADAMS、 Abaqus、 HyperWorks 等。建立刚体动力学模型是为了提高求解速度。 ） 0035 步骤 1.2 ： 求解得到缓冲支柱对探测器中心体的激励力时间曲线。 0036 步骤 1.3 ： 对步骤 1.2 中的载荷时间曲线进行傅立叶变换， 得到激励力的幅频特 性曲线 （如图 3 所示） 。 0037 步骤 1.4 ： 分析步骤 1.3 得到的幅频特性曲线， 确定激励力的主要频率分量， 范围 是 0， 500Hz。这个 500Hz 将用于步骤 2.2 中作为模。

20、型降阶时的模态截止频率。 0038 步骤 2 ： 响应预测， 即采用数学模型预测的方法获取探测器上测点的加速度响应。 0039 步骤 2.1 ： 利用 Abaqus 软件建立月球探测器软着陆动力学的非线性有限元模型。 0040 步骤 2.2 ： 利用 Abaqus 软件中 Substructure 模块提供的 “广义动力缩聚” 方法对 探测器中心体进行模型降阶。 说 明 书 CN 103678822 A 5 4/6 页 6 0041 步骤 2.2.1 ： 对探测器中心体进行自由振动模态分析， 得到第 900 阶模态频率约 为 500Hz。 （多数商业有限元软件都可以进行模态分析， 为方便起见本。

21、发明利用 Abaqus 的 Linear perturbation 分析模块） 0042 步骤 2.2.2 ： 广义动力缩聚方法的截止频率取 500Hz， 主自由度取缓冲支柱与中心 体相连的 12 个节点上的 72 个自由度。在 Abaqus 软件的 Substructure 模块中对中心体进 行动力缩聚， 然后与非线性自由度 （缓冲装置和月壤） 组装。 0043 步骤 2.3 ： 利用 Abaqus/Standard 求解器对探测器以不同姿态软着陆的 5 种典型 工况进行非线性有限元仿真， 其中月球加速度取 1.63m/s2。 0044 步骤 3 ： 力学环境描述， 冲击力学环境通常由某种类。

22、型的频谱来描述， 我国国标 GB2423、 IEC68-2-27 和 IEC721-3， 美军标 MIL-STD-810D 和英军标 DEF STAN07-55 都要求采 用加速度作为测试数据。 所以本发明中使用加速度的冲击响应谱描述探测器的冲击力学环 境， 冲击响应谱原理如图 4 所示。 0045 步骤 3.1 ： 提取中心体顶板上所有有限元节点的加速度响应。 0046 步骤 3.2 ： 用递归数字滤波算法将顶板上所有节点的加速度响应转换为冲击响应 谱。 （放大因子 Q 取 10） 0047 步骤 4 ： 最大期望环境 （Maximum expected environment， MEE） 。

23、的确定。最大期望 环境是探测器着陆冲击力学环境的一个预期的上限， 它能够对区域内全部点的预测频谱进 行约束， 保证任何点都不会严重超过频谱范围。 为了保证测试能够产生一个保守的结果， 本 发明采用了最大频谱作为最大期望环境。 0048 步骤 4.1 ： 分别在 5 种典型工况下对中心体顶板上所有节点的加速度冲击响应谱 进行包络， 每 1 个工况对应 1 个包络谱。 0049 所述 5 种典型工况分别为 ： 0050 工况 1 探测器着陆于水平月面， 探测器无初始水平速度。 0051 工况 2 探测器着陆于水平月面， 探测器有 1m/s 的初始水平速度。 0052 工况 3 探测器以 “2-2“。

24、对称的方式着陆于 15斜坡月面， 即探测器的 4 个足垫中 有 2 个同时着陆于月面， 然后其余 2 个再同时着陆于月面。 0053 工况 4 探测器以 “1-2-1” 对称的方式着陆于 15斜坡月面， 即探测器的 4 个足垫 中最先有 1 个着陆于月面， 然后另外 2 个足垫同时着陆于月面， 剩下的 1 个最后着陆于月 面。 0054 工况 5 探测器以 “1-2-3-4” 的方式着陆于 15斜坡月面， 即探测器的 4 个足垫依 次 （不同时） 着陆于月面。 0055 步骤 4.2 ： 对步骤 4.1 中的 5 个包络谱再次包络， 作为中心体顶板的最大期望环 境。5 种包络谱的再次包络如图 。

25、5 所示。 0056 步骤 5 ： 制定设计及测试条件。制定时可以充分考虑相同频率段已有的探测器其 它阶段力学环境的测试标准， 例如运载发射阶段的正弦振动 （如表 1 所示） 及随机振动力学 环境条件 （如表 2 所示） 。方法是将其它阶段的力学环境条件转换为相应的冲击响应谱， 看 是否可以覆盖着陆冲击段的最大期望环境。 如果可以覆盖， 则不需要制定额外的测试条件。 如果不能覆盖， 则考虑提高原有的测试条件或者制定额外的测试条件。 0057 步骤 5.1 ： 正弦振动环境等效为加速度冲击响应谱并与步骤 4.2 得到的中心体顶 说 明 书 CN 103678822 A 6 5/6 页 7 板冲击。

26、响应谱比较。中心体顶板的正弦振动环境由表 1 给出。等效方法如下 ： 0058 在小阻尼情况下， 当激励频率等于被激励系统的固有频率时， 加速度响应可由下 式确定 0059 0060 式中，是系统最大绝对加速度响应，是激励加速度峰值，（是阻 尼比） ， N 是正弦激励周期， 当 N 足够大时有 0061 0062 假定规定频段中的正弦激励的输入幅值 （表 1 所示） 是则根据公式， 它等效 的冲击环境谱值为若取 Q 10， 由表 1 等效的加速度冲击响应谱与步骤 4.2 得到 的中心体顶板冲击响应谱的比较如图 6 所示。由图可知， 在 0 100Hz 频段内， 正弦振动环 境完全覆盖了中心体顶。

27、板的着陆冲击环境。 0063 步骤 5.2 ： 随机振动环境等效为加速度冲击响应谱并与步骤 4.2 得到的中心体顶 板冲击响应谱比较。中心体顶板的正弦振动环境由表 2 给出。等效方法如下 ： 0064 假定规定频段中的随机激励的输入幅值 （如表 2 所示） 是 G(f)， 则它等效的冲击环 境谱值为 0065 0066 式中， f是频率 （单位Hz） ， 若取Q10， 由表2等效的加速度冲击响应谱与步骤4.2 得到的中心体顶板冲击响应谱的比较如图 7 所示。由图可知， 在 100Hz 以上的频段内， 随机 振动环境覆盖了中心体顶板的着陆冲击环境。 0067 步骤 5.3 ： 由于 5Hz 10。

28、0Hz 内正弦振动环境完全覆盖了中心体顶板的着陆冲击 环境， 100Hz 以上频段内随机振动环境覆盖了中心体顶板的着陆冲击环境， 所以对于中心体 顶板来说不需要制定额外的测试条件。 0068 表 1 正弦振动试验条件 0069 0070 表 2 随机振动试验条件 说 明 书 CN 103678822 A 7 6/6 页 8 0071 说 明 书 CN 103678822 A 8 1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103678822 A 9 2/4 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103678822 A 10 3/4 页 11 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103678822 A 11 4/4 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 103678822 A 12 。