Wissenschaftler entwickeln einen Landemechanismus für kleine Himmelskörper mit Beinen zur Landungssimulation und für experimentelle Tests

Eine stabile Landung ist Voraussetzung für die Erkundung eines kleinen Himmelskörpers vor Ort. Die Oberfläche eines kleinen Himmelskörpers weist häufig eine schwache Schwerkraft auf und ist unregelmäßig, und die Oberflächenumgebung ist unbekannt und ungewiss. Der Landemechanismus neigt dazu, zurückzuprallen und sich umzudrehen, und die Landestabilitätszeit ist lang. Während sich die meisten Untersuchungen zur Landeleistung jedoch auf die Mondlandung konzentrierten, gibt es Unterschiede zwischen den Oberflächen des Mondes und des Mars.

Daher ist es wichtig, die Landeleistung unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen, um die Grenze der Landestabilität zu analysieren und vernünftige Landevorschläge zur Unterstützung der Erforschung kleiner Himmelskörper in China vorzuschlagen.

In einem Forschungsartikel kürzlich veröffentlicht in Weltraum: Wissenschaft und TechnologieForscher des Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, des Harbin Institute of Technology und der Polytechnischen Universität Mailand haben ein Simulationsmodell eines Landemechanismus unter verschiedenen Landebedingungen erstellt, die Empfindlichkeit der Schlüsselparameter analysiert, die die Landeleistung beeinflussen, und die Richtigkeit davon überprüft die Simulation durch experimentelle Tests, die als Orientierung dafür dienen können, dass ein Landemechanismus stabil auf einem kleinen Himmelskörper landet.

Zunächst reproduzieren die Autoren kurz den Landemechanismus und die Landesimulation. Der in der Simulation verwendete kleine Landemechanismus für Himmelskörper enthält einen Landefuß, Landebeine, ein Kardanelement, ein Dämpfungselement, eine Gerätebasis und mehr. Bei der Simulation werden zwei Szenarien berücksichtigt: Der Landemechanismus landet auf dem Landehang mit Vx > 0; und der Landemechanismus landet mit Vx vom Landehang entfernt. In jedem Szenario werden drei Landemodi entsprechend der Kontaktreihenfolge zwischen dem Landefuß und dem Landehang klassifiziert, d. h. (a) 1-2-Landemodus, (b) 2- 1 Landemodus und (c) 1-1-1 Landemodus (mit 30° Gierwinkel). Bei allen Landemodi in beiden Simulationsszenarien wird die Drehung des Landemechanismus durch die Retrorakete verhindert und es kommt zu keinem Verrutschen der Landefüße.

Die maximale Überlastbeschleunigung der Gerätebasis beträgt weniger als 10 g und die Landestabilitätszeit beträgt weniger als 4 Sekunden. Dies zeigt, dass der Landemechanismus unter verschiedenen Landebedingungen sicher landen kann. Wenn Vx > 0 ist, zeigt die Untersuchung außerdem, dass der 2-1-Modus die beste Landeleistung unter den drei Modi aufweist und die Landeleistungen der 1-2- und 1-1-1-Modi ähnlich sind. Beim Vx Zweitens werden Schlüsselfaktoren analysiert, die die Landeleistung beeinflussen.

Kardanelementdämpfung (c2)

Die Landestabilisierungszeit wird erheblich verkürzt und die Überlastbeschleunigung wird abgeschwächt, wenn c2 im Vergleich zu konstantem c2 variabel ist. Der Landemechanismus weist eine bessere Landeleistung auf, wenn c2 variabel ist.

Fußanker

Die Fußanker beeinflussen den Reibungskoeffizienten zwischen den Landefüßen und der Landefläche. Ein Abrutschen führt dazu, dass der Landemechanismus weit vom Landepunkt entfernt ist, was die Verankerung des Verankerungssystems beeinträchtigen würde. Die Reibung zwischen dem Landemechanismus und der Landefläche sollte hoch sein, um ein Verrutschen des Landemechanismus zu verhindern. Ein Umkippen des Landemechanismus aufgrund hoher Reibung kann durch Retro-Raketenschub verhindert werden. Daher ist es hilfreich, Fußanker am Landemechanismus vorzusehen, da diese in die Landefläche eindringen und ein Verrutschen des Landemechanismus verhindern oder abschwächen können.

Retro-Raketenschub

Retro-Raketenschub kann verhindern, dass der Landemechanismus abprallt oder sich dreht. Daher ist der Retro-Raketenschub hilfreich für eine erfolgreiche Landung.

Landehang

Je größer der Neigungswinkel ist, desto höher ist die Drehwinkelgeschwindigkeit der Landebeine und desto länger ist die Landestabilisierungszeit. Der Einfluss des Neigungswinkels auf die Überlastungsbeschleunigung der Gerätebasis ist nicht offensichtlich. Daher sollte die Landefläche mit einem kleineren Neigungswinkel ausgewählt werden, um die Landestabilisierungszeit zu verkürzen.

Landehaltung

Wenn der Landemechanismus in unterschiedlichen Landelagen innerhalb der zulässigen Landegeschwindigkeit landet, beträgt die maximale Überlastbeschleunigung weniger als 10 g und die Landestabilisierungszeit weniger als 5 Sekunden. Die Landeleistung ist gut. Wenn der Gierwinkel 60° beträgt (d. h. der 2-1-Landemodus), erfährt der Landemechanismus die minimale Überlastbeschleunigung und die kürzeste Landestabilitätszeit, und die Landeleistung ist am besten.

Anschließend wird die Gültigkeit des Simulationsmodells durch Tests überprüft. Diese Tests werden auf der schwebenden Plattform durchgeführt. Die Landebeschleunigungen werden durch Beschleunigungssensoren gemessen. Landungstests auf einer 30°-Neigung im 1-2-Modus, im 1-2-Modus und im 1-1-1-Modus werden separat durchgeführt. Diese Landemodi und -geschwindigkeiten werden in das Simulationsmodell importiert. Die Landeleistungen zwischen Test und Simulation werden verglichen.

Die durch Simulation erhaltene Überlastbeschleunigung der Gerätebasis liegt nahe an der im Test erhaltenen und das Simulationsergebnis ist etwas größer als das Testergebnis. Dies ist auf die mechanische Flexibilität des Landemechanismus zurückzuführen, die im Test eine flexible Verformung erzeugt und einen Teil der Aufpralllast absorbiert. Die Änderungen der Drehwinkelgeschwindigkeit und des Drehwinkels des Landebeins in Simulation und Test sind relativ konsistent.

Aber zwischen etwa 0,7 Sekunden und 2,5 Sekunden im 1-2-Modus, etwa 0,5 und 2 Sekunden im 2-1-Modus und während der gesamten Dauer des 1-1-1-Modus ist der Drehwinkel des Landebeins im Test geringer als in der Simulation. Der Grund dafür ist, dass die Landefläche im Test aus Hartholz besteht und die Fußanker nicht in das Hartholz eindringen können, was zu einem leichten Verrutschen des Landemechanismus führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der 2-1-Landemodus die kürzeste Stabilitätszeit aufweist und es keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen der Überlastbeschleunigung und dem Landemodus gibt.

Abschließend kommen die Autoren zu dem Schluss, dass die folgenden Methoden hilfreich sind, um die Landeleistung zu verbessern: