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图6给出了单套火星探测器着陆缓冲机构冲击动力学模型。模型中各缓冲器结构和足垫采用壳单元建模,并采用理想铝合金弹塑性材料模拟材料特性。主缓冲器内的拉杆采用梁单元建模,并采用图4所示的TWIP钢材料应力–应变模型。着陆器采用刚体模型并施加给定的初速度。主支柱内筒和外筒之间、足垫和着陆面之间采用库伦摩擦模型模拟接触。图6中给出了单套着陆缓冲机构缓冲前后的变形状态。着陆器以一定的初始速度下降,推动足垫在着陆面上滑行。在滑行过程中,主支柱受到压缩载荷作用,使得内部的拉杆发生塑性变形。
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着陆缓冲机构冲击试验系统如图7所示。着陆缓冲机构安装在投放篮上,投放篮配置了1/4着陆器的重量并被抬升到0.75 m高度,用于提供预期的着陆速度及初始动能。在每个缓冲器和投放篮之间安装了力传感器,用于测量从缓冲器输入到着陆器的载荷大小。在着陆面的下面安装了多维测力平台用于测量足垫和着陆面的接触力。拉杆的变形量可以在试验后通过几何尺寸测量得到。
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火星着陆任务设计时,着陆缓冲机构需考虑多种复杂地形的着陆工况[11],因此通过设置多种不同的着陆面,分析火星探测器着陆缓冲机构在不同地形条件上的着陆能力和缓冲效果。仿真和试验结果对比如图8所示,设置了水平地面、斜坡、球形障碍3种典型地形条件。仿真分析和试验的着陆缓冲机构变形姿态吻合良好。每种工况下能够观察到明显的足垫滑移和拉杆塑性变形,表明着陆缓冲机构在设定的不同工况下都能按照设计预期正常工作。
着陆冲击载荷峰值、拉杆拉伸长度在每次试验后进行了测量,并与仿真分析结果进行了对比,如表1所示。所有的仿真结果都与试验结果较为一致,说明仿真模型能够有效地的预测着陆缓冲机构的性能。着陆冲击载荷峰值随着拉杆变形长度增大而增加,这与TWIP钢拉伸应力应变关系相吻合。拉杆的最大拉伸变形试验实测为85.0 mm,仿真分析为79 mm,都小于拉杆最大允许拉伸长度120 mm。这说明着陆缓冲机构具有足够的能量吸收能力。在着陆缓冲机构的作用下,输入着陆舱的冲击响应载荷受到了限制,低于着陆舱结构能够承受的冲击载荷极限。综合来看,TWIP钢拉杆能够有效地吸收着陆器的冲击动能,在允许的缓冲行程范围内限制输入着陆舱结构的冲击载荷,保证着陆安全。
表 1试验和仿真对比
Table 1.Comparison of simulation and testing results
参数 水平面 斜坡 球形障碍 仿真值 试验值 仿真值 试验值 仿真值 试验值 左主支柱拉杆拉伸长度/mm 71.1 73.0 79.8 85.0 52.1 40.0 右主支柱拉杆拉伸长度/mm 71.1 68.0 39.3 22.0 46.6 44.0 足垫接触力峰值/kN 24.1 26.6 22.8 21.2 24.2 26.4 左主支柱冲击载荷峰值/kN 17.3 19.2 18.7 19.7 14.5 16.1 右主支柱冲击载荷峰值/kN 17.3 18.7 15.4 15.0 14.2 16.8 辅助支柱冲击载荷峰值/kN 18.8 24.5 19.7 19.7 12.5 16.4
Design and Test Verification of Energy Absorption Material in the Soft Landing Gear for Tianwen-1 Mars Probe
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摘要:着陆缓冲机构是“天问一号”火星探测器在行星表面软着陆时的关键部件之一,需要采用吸能效率高、耐高低温的能量吸收材料。介绍了火星探测器着陆缓冲机构中采用高锰奥氏体孪生诱发塑性钢(Twining Induced Plasticity,TWIP)制拉杆的能量吸收设计。给出了TWIP钢的高塑性变形微观机理和力学特性。试验结果表明,TWIP钢具备600 MPa拉伸应力和72%拉伸应变的高塑性变形能力。通过仿真分析和试验验证方法,验证了TWIP钢制拉杆在火星探测器着陆缓冲机构中的应用效果。结果表明,着陆缓冲机构能够在各种复杂着陆工况下保证稳定的能量吸收性能。
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关键词:
- 高锰奥氏体孪生诱发塑性钢/
- 着陆缓冲机构/
- 深空探测/
- 设计/
- 能量吸收
Abstract:The landing gear is a key component for soft-landing on Mars, which should use high energy-absorption and excellent thermal stability material to absorb the impact energy of Mars probe. The energy absorption pull rods made by directionally solidified twinning-induced plasticity (TWIP) were utilized for the soft landing gears of Mars lander. The mechanical behavior and microstructure evolution of TWIP steel were investigated. The results show that TWIP steel can sustain the high plasticity of 600 MPa ultimate true stress and 72% true strain. The landing dynamic simulation and experiment results of soft-landing gear drop testes demonstrate that that Mars landing system is able to adapt to the complex topography conditions because of the high energy absorption ability of pull rods.Highlights● Energy absorption pull rods made by TWIP steel were applied in the landing gear of “Tianwen-1” Mars probes. ● The mechanical behavior and microstructure evolution of TWIP steel were tested. ● 600 MPa ultimate engineering stress and 72% engineering strain of TWIP steel were obtained. ● Mars landing system is able to adapt to the complex topography conditions. -
表 1试验和仿真对比
Table 1Comparison of simulation and testing results
参数 水平面 斜坡 球形障碍 仿真值 试验值 仿真值 试验值 仿真值 试验值 左主支柱拉杆拉伸长度/mm 71.1 73.0 79.8 85.0 52.1 40.0 右主支柱拉杆拉伸长度/mm 71.1 68.0 39.3 22.0 46.6 44.0 足垫接触力峰值/kN 24.1 26.6 22.8 21.2 24.2 26.4 左主支柱冲击载荷峰值/kN 17.3 19.2 18.7 19.7 14.5 16.1 右主支柱冲击载荷峰值/kN 17.3 18.7 15.4 15.0 14.2 16.8 辅助支柱冲击载荷峰值/kN 18.8 24.5 19.7 19.7 12.5 16.4 -
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