趙俊鋒，劉 莉，周思達(dá)，楊 武

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081)

為實(shí)現(xiàn)月面軟著陸探測(cè)任務(wù)，月球探測(cè)器系統(tǒng)將經(jīng)歷兩大過(guò)程:飛行著陸過(guò)程和月面工作過(guò)程［1］。根據(jù)目前的研究成果，月球基本沒(méi)有地質(zhì)活動(dòng)，因此安全著陸后，除探測(cè)器系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的小量擾動(dòng)外，無(wú)典型的力學(xué)環(huán)境。所以，探測(cè)器系統(tǒng)的主要力學(xué)環(huán)境均體現(xiàn)在飛行著陸過(guò)程中。飛行著陸過(guò)程又可分為運(yùn)載火箭發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動(dòng)力下降段四個(gè)部分。其中前三段(火箭發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段)與傳統(tǒng)衛(wèi)星，特別是環(huán)月探測(cè)衛(wèi)星經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境基本一致，主要包括發(fā)射段由運(yùn)載火箭傳遞的力學(xué)環(huán)境，大氣層內(nèi)飛行的噪聲環(huán)境，以及探測(cè)器變軌時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的沖擊環(huán)境［2］。

動(dòng)力下降段是月球軟著陸任務(wù)特有的飛行階段，在其末段，探測(cè)器會(huì)從約4m的高度自由降落到月球表面。在著陸沖擊過(guò)程中，探測(cè)器需要經(jīng)歷一個(gè)瞬態(tài)沖擊載荷，能否經(jīng)受得住這一力學(xué)環(huán)境是軟著陸能否成功的關(guān)鍵。因此有必要在方案設(shè)計(jì)階段就對(duì)此環(huán)境做出預(yù)示，以制定設(shè)備的設(shè)計(jì)和測(cè)試條件。力學(xué)環(huán)境的預(yù)示一般采用三種方法:試驗(yàn)測(cè)試方法、相似結(jié)構(gòu)外推法和數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法。試驗(yàn)測(cè)試的方法需要等到探測(cè)器初樣階段以后才能進(jìn)行，在方案設(shè)計(jì)階段是不可行的。探測(cè)器行星著陸任務(wù)在我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)中尚屬首次，其著陸沖擊段所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境沒(méi)有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)積累，相似結(jié)構(gòu)外推的方法也是不可行的。因此，要在探測(cè)器方案設(shè)計(jì)階段預(yù)示其著陸沖擊力學(xué)環(huán)境就需要采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的方法。本文提出一種適用于探測(cè)器方案設(shè)計(jì)階段的著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)示方法:采用地面著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，用有限元方法預(yù)測(cè)探測(cè)器結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng);在得到關(guān)心位置處的加速度響應(yīng)后，采用沖擊響應(yīng)譜來(lái)描述探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境;最后采用包絡(luò)譜的方法得到最大期望環(huán)境，用于制定設(shè)備的設(shè)計(jì)和測(cè)試條件。通過(guò)對(duì)某探測(cè)器的具體分析，得到了探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境的一些特點(diǎn)，這些特點(diǎn)具有一定的普適性，可為探測(cè)器有效載荷的設(shè)計(jì)及測(cè)試提供參考。

1 著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)示流程

探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)示采用如圖1所示流程:首先對(duì)力學(xué)環(huán)境的激勵(lì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)激勵(lì)的特征選用合適的方法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，然后采用合適的頻譜來(lái)描述力學(xué)環(huán)境，最后確定最大期望環(huán)境，用于制定設(shè)備的設(shè)計(jì)和測(cè)試條件。

圖1 力學(xué)環(huán)境預(yù)示流程Fig.1 Procedure of dynamic environment prediction

文獻(xiàn)［3］指出:“探測(cè)器行星著陸任務(wù)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的頻率成分及幅值很大程度上由以下的參數(shù)決定:① 探測(cè)器的著陸沖擊速度;② 探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)特性及其著陸緩沖系統(tǒng)的緩沖特性;③ 著陸點(diǎn)處的行星表面特性。其中，①和②為主要的影響因素。這些參數(shù)中很多都應(yīng)該是隨機(jī)變量，但是對(duì)于它們之間的相互作用我們已經(jīng)有足夠多的了解，因此可以在低頻域內(nèi)進(jìn)行一些確定性的動(dòng)力學(xué)分析?！痹趦蓚€(gè)主要影響因素中，著陸沖擊速度基本確定的情況下，探測(cè)器緩沖系統(tǒng)的緩沖特性決定了探測(cè)器結(jié)構(gòu)受到的激勵(lì)的特征。對(duì)于采用鋁蜂窩緩沖器的腿式著陸器，探測(cè)器結(jié)構(gòu)受到的沖擊激勵(lì)可以看作一個(gè)低頻的瞬態(tài)激勵(lì)，因此可以采用有限元方法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的著陸沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

著陸沖擊力學(xué)環(huán)境描述采用沖擊響應(yīng)譜。早期的沖擊力學(xué)環(huán)境描述采用典型脈沖信號(hào)，例如Apollo號(hào)登月飛船的月面著陸沖擊力學(xué)環(huán)境采用一個(gè)脈寬為11 ms的鋸齒波來(lái)模擬，幅值根據(jù)部位的不同乘以一個(gè)權(quán)重系數(shù)［4］。這種沖擊力學(xué)環(huán)境的描述方法會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于保守，20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外普遍采用沖擊響應(yīng)譜來(lái)描述沖擊力學(xué)環(huán)境條件。

由于探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析采用的是確定性分析，因此最大期望環(huán)境直接采用沖擊響應(yīng)譜的包絡(luò)譜，而沒(méi)有計(jì)算其容許極限，但是考慮到環(huán)境數(shù)據(jù)的分散性，還需要加上一定的安全系數(shù)。

2 著陸沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)

2.1 探測(cè)器基本構(gòu)成

月球探測(cè)器系統(tǒng)主要由兩部分組成:探測(cè)器基體及著陸緩沖機(jī)構(gòu)［5］。探測(cè)器基體由主結(jié)構(gòu)及搭載其上的各種設(shè)備和有效載荷構(gòu)成。緩沖機(jī)構(gòu)一般由3-4套著陸腿機(jī)構(gòu)組成，每套著陸腿機(jī)構(gòu)包括主支柱、輔助支柱、緩沖器及足墊等。圖2為某月球探測(cè)器示意圖。主輔支柱上具有相應(yīng)的緩沖器，緩沖器內(nèi)裝有鋁蜂窩材料，通過(guò)壓縮變形吸收沖擊能量，實(shí)現(xiàn)緩沖，簡(jiǎn)化為圖3所示。

2.2 激勵(lì)預(yù)測(cè)

探測(cè)器在軟著陸過(guò)程中，首先經(jīng)歷足墊與月壤間的接觸碰撞，碰撞載荷經(jīng)由緩沖器限幅后作用到探測(cè)器基體結(jié)構(gòu)上。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段針對(duì)探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型仿真研究主要集中在兩個(gè)方面:基于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)仿真(主要用于著陸穩(wěn)定性分析)和基于非線性有限元的鋁蜂窩緩沖材料性能分析。很少見(jiàn)到包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一體化著陸沖擊動(dòng)力學(xué)仿真分析。由于包含了足墊與月壤間接觸碰撞及鋁蜂窩材料的壓潰等強(qiáng)非線性的動(dòng)力學(xué)行為，一體化的仿真需要的計(jì)算成本很高。因此文中將著陸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的預(yù)測(cè)集中到探測(cè)器基體上來(lái)，將緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)其作用力作為激勵(lì)，從而避免了上述的非線性動(dòng)力學(xué)行為的仿真計(jì)算。

激勵(lì)的預(yù)測(cè)采用試驗(yàn)的方法。探測(cè)器在方案設(shè)計(jì)階段會(huì)進(jìn)行著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用的探測(cè)器基體一般為等效鋼架，而著陸緩沖機(jī)構(gòu)為真實(shí)模型，因此可以采用試驗(yàn)中測(cè)得的著陸緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)基體主結(jié)構(gòu)的作用力作為著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)測(cè)的激勵(lì)載荷。

激勵(lì)的頻率特征決定動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析應(yīng)該采用什么方法，因此需要對(duì)激勵(lì)的頻率特征進(jìn)行分析。緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)探測(cè)器基體作用力的頻率分量及幅值主要取決于裝在其中的鋁蜂窩緩沖器的沖擊動(dòng)力學(xué)性能，文獻(xiàn)［6-7］對(duì)此做了詳盡的研究。圖4所示為典型的鋁蜂窩緩沖器載荷特性曲線，由圖可以看出，蜂窩力在開(kāi)始垮塌之前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，在使用中一般通過(guò)預(yù)加載將此峰值消除，而一旦蜂窩開(kāi)始垮塌，其載荷就會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)恒定值附近直到蜂窩被壓實(shí)。由于鋁蜂窩的這種緩沖特性，在其受到?jīng)_擊作用而壓潰的過(guò)程中，載荷輸出的高頻分量幅值被限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，因此可以將此激勵(lì)作為一個(gè)低頻的瞬態(tài)激勵(lì)來(lái)處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明了這一結(jié)論，圖5所示為某探測(cè)器著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)中測(cè)得的主支柱給探測(cè)器基體的作用力的幅頻曲線，試驗(yàn)測(cè)試的采樣頻率為10 000 Hz。由圖可以看出，此激勵(lì)的頻率分量主要集中在50 Hz以下。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)

由前面得到的激勵(lì)的特征可知，探測(cè)器基體結(jié)構(gòu)的著陸沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)可以歸結(jié)為一個(gè)低頻瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)求解問(wèn)題，因此可以采用有限元方法。有限元方法適用于低頻段，它在理論和工程實(shí)踐上已比較成熟，利用相應(yīng)的大型商業(yè)軟件(如NASTRAN、ANSYS)可以完成這一工作［8］。

一般線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程可表示為內(nèi)力、外力和慣性力的平衡方程:

其中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，這些結(jié)構(gòu)的特性矩陣均可以從有限元模型得到，對(duì)于線性的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，這些矩陣不隨時(shí)間變化;u(t)為物理坐標(biāo)向量;f(t)為外力向量，在這里使用著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)中測(cè)得的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)力數(shù)據(jù)。動(dòng)力學(xué)求解可以歸結(jié)為求解二階常微分方程組的初值問(wèn)題，可以用直接積分法來(lái)求解。

3 著陸沖擊力學(xué)環(huán)境描述

力學(xué)環(huán)境的描述一般采用加速度量，而沖擊力學(xué)環(huán)境的描述一般采用加速度量的沖擊響應(yīng)譜(Shock response spectrum，SRS)。沖擊響應(yīng)譜是指將沖擊激勵(lì)施加到一系列線性、單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)時(shí)，將各單自由度系統(tǒng)的最大響應(yīng)值作為對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)而繪制的曲線［9］。這一概念是由布洛特(Bolt.M.A)于1963年提出的，圖6為沖擊響應(yīng)譜概念的闡述。

沖擊響應(yīng)譜用沖擊載荷作用在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的效果，即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)沖擊載荷的響應(yīng)來(lái)描述沖擊［10］。在設(shè)計(jì)階段沖擊力的特征通常都是未知的，不過(guò)響應(yīng)譜并不像響應(yīng)的時(shí)間歷程那樣對(duì)力的變化那么敏感。這個(gè)事實(shí)首先由Shappiro和Hudsone發(fā)現(xiàn)并由Fung做了證明［11］。沖擊響應(yīng)譜對(duì)力學(xué)環(huán)境的描述是基于等效損傷原則的模擬［12］:若不同的激勵(lì)作用在設(shè)備及有效載荷上產(chǎn)生的峰值響應(yīng)相等，就認(rèn)為它們有相同的損傷勢(shì)。

沖擊響應(yīng)譜按所用的響應(yīng)參數(shù)不同可分為:絕對(duì)加速度譜、速度譜及相對(duì)位移譜等，沖擊力學(xué)環(huán)境的描述一般采用絕對(duì)加速度譜。因此，本文中采用探測(cè)器基體主結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的絕對(duì)加速度譜來(lái)描述探測(cè)器的著陸沖擊力學(xué)環(huán)境。

圖6 沖擊響應(yīng)譜概念Fig.6 Conception of shock response spectrum

絕對(duì)加速度譜的計(jì)算采用改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波算法，該法是由Smallwood于1980年提出的［13］。利用斜響應(yīng)不變法，將單自由度系統(tǒng)絕對(duì)加速度響應(yīng)傳函轉(zhuǎn)換為Z變換表示的離散系統(tǒng)傳遞函數(shù):

其中:

用遞歸數(shù)字濾波器來(lái)計(jì)算系統(tǒng)絕對(duì)加速度響應(yīng)(一般取ξ=0.05，即放大因子Q=1/2ξ=10)，提取峰值響應(yīng)，進(jìn)而得到?jīng)_擊響應(yīng)的絕對(duì)加速度譜。計(jì)算程序采用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)。

4 最大期望環(huán)境的確定

最大期望環(huán)境(Maximum expected environment，MEE)是探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境的一個(gè)預(yù)期的上限，可為設(shè)備的設(shè)計(jì)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

為了制定合理的最大期望環(huán)境，有必要將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不同位置預(yù)測(cè)的響應(yīng)進(jìn)行分組，其中每組都有相似的頻譜。對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上預(yù)測(cè)的響應(yīng)具有相似頻譜的點(diǎn)所處的位置就可以定義一個(gè)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)可能包含一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備的安裝點(diǎn)。區(qū)域的確定通常是以工程理論和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。合理的分區(qū)可以將系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)需要的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)減到最少。

最大期望環(huán)境一般是一個(gè)單一的頻譜，它能夠?qū)^(qū)域內(nèi)多數(shù)點(diǎn)或全部點(diǎn)的預(yù)測(cè)頻譜進(jìn)行約束，保證任何點(diǎn)都不會(huì)嚴(yán)重超過(guò)頻譜范圍。為了保證測(cè)試能夠產(chǎn)生一個(gè)保守的結(jié)果，本文采用了最大頻譜(即每個(gè)區(qū)域內(nèi)關(guān)心點(diǎn)加速度響應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜的包絡(luò)譜)作為最大期望環(huán)境。由于探測(cè)器著陸沖擊動(dòng)力學(xué)環(huán)境分析中的許多參數(shù)實(shí)際應(yīng)該是具有一定概率分布的隨機(jī)變量，在處理這些數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)一定的概率和置信度來(lái)預(yù)示力學(xué)環(huán)境，但是限于我們對(duì)這些參數(shù)分布認(rèn)識(shí)的不足，本文僅進(jìn)行了確定性分析。為了充分估計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)的分散性，根據(jù)文獻(xiàn)［14］，將每個(gè)區(qū)域的包絡(luò)譜加4.5 dB作為這個(gè)區(qū)域的最大期望環(huán)境。

在得到了各區(qū)域的最大期望環(huán)境后，可以此為依據(jù)制定設(shè)備的設(shè)計(jì)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。制定時(shí)可以充分考慮相同頻率段已有的探測(cè)器其它階段力學(xué)環(huán)境的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，例如運(yùn)載發(fā)射階段的正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)環(huán)境條件。方法是將其它階段的力學(xué)環(huán)境條件轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜，看是否可以覆蓋著陸沖擊段的最大期望環(huán)境。如果可以覆蓋，則不需要制定額外的測(cè)試條件;如果不能覆蓋，則考慮提高原有的測(cè)試條件或者制定額外的測(cè)試條件［15］。

探測(cè)器運(yùn)載發(fā)射段的正弦振動(dòng)環(huán)境條件一般為慢速正弦掃描，對(duì)于這種環(huán)境條件，可將其掃描輸入直接乘以放大因子Q得到其等效的沖擊響應(yīng)譜［16］。對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件，根據(jù)文獻(xiàn)［17］，其等效沖擊響應(yīng)譜可采用下式計(jì)算:

其中，S(f)為等效沖擊響應(yīng)譜值，G(f)為加速度的功率譜密度值，f為對(duì)應(yīng)頻率值，Q為放大因子。

5 算例與分析

以某方案設(shè)計(jì)階段的月球探測(cè)器為例，采用前述方法預(yù)示其著陸沖擊力學(xué)環(huán)境。

首先在MSC.Patran中建立探測(cè)器基體結(jié)構(gòu)的有限元模型。探測(cè)器基體尺寸為2.5 m×2.5 m×1.5 m，質(zhì)量約為1 200 kg，主要由主承力框、壁板及加強(qiáng)梁組成。主承力框和加強(qiáng)梁采用一維梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，壁板采用二維板殼單元來(lái)模擬，各種設(shè)備及有效載荷采用集中質(zhì)量元來(lái)模擬，建立的有限元模型單元尺寸約為0.02m。邊界條件自由，激勵(lì)采用探測(cè)器著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)中測(cè)得的緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)探測(cè)器基體的作用力，施加點(diǎn)為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。如圖7所示。

然后采用MSC.Nastran求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，在時(shí)域內(nèi)直接積分求解，積分時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s(最多可反映500 Hz的頻率)，積分時(shí)長(zhǎng)根據(jù)激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)取0.2 s。以探測(cè)器部件為單位分區(qū)，提取各分區(qū)關(guān)心點(diǎn)(主要是設(shè)備及有效載荷安裝點(diǎn))處的加速度響應(yīng)的時(shí)間歷程。計(jì)算關(guān)心點(diǎn)處加速度響應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜(放大因子Q取10)，得到各分區(qū)最大期望環(huán)境。

圖7 探測(cè)器基體有限元模型Fig.7 FEM model of the main structure of the lunar lander

月球車(chē)是探測(cè)器的重要有效載荷，下面以月球車(chē)安裝位置點(diǎn)A(如圖7所示)及A所在的分區(qū)頂板為例，給出力學(xué)環(huán)境的預(yù)示結(jié)果。圖8為A點(diǎn)在不同阻尼系數(shù)下沿探測(cè)器縱向加速度時(shí)域響應(yīng)曲線，圖9為對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜曲線。圖10給出了A點(diǎn)所在區(qū)域沿探測(cè)器縱向的最大期望環(huán)境，圖中實(shí)線為包含A點(diǎn)在內(nèi)的頂板區(qū)域內(nèi)多個(gè)關(guān)心點(diǎn)的沖擊響應(yīng)譜。

探測(cè)器已有運(yùn)載發(fā)射階段正弦振動(dòng)環(huán)境條件(5-100 Hz)及隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件(10-2 000 Hz)，可將其轉(zhuǎn)換為等價(jià)的沖擊響應(yīng)譜，與探測(cè)器著陸沖擊最大期望環(huán)境作比較。同樣以A所在的分區(qū)頂板為例，表1與表2分別為頂板的運(yùn)載發(fā)射段正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件，圖10給出了頂板著陸沖擊最大期望環(huán)境與運(yùn)載發(fā)射段正弦振動(dòng)環(huán)境條件與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件的比較。

表1 正弦振動(dòng)環(huán)境條件Tab.1 Dynamic environmental criteria of sinusoidal vibration

表2 隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件Tab.2 Dynamic environmental criteria of random vibration

圖8 A點(diǎn)加速度時(shí)域響應(yīng)比較Fig.8 Comparation of the acceleration at point A in time domain

圖9 A點(diǎn)加速度沖擊響應(yīng)譜的比較Fig.9 Comparation of SRS of the acceleration at point A

圖10 A點(diǎn)區(qū)域的最大期望環(huán)境Fig.10 Maximum expected environment of the zone include point A

圖11 A點(diǎn)加速度幅頻圖Fig.11 Amplitude-frequency characteristic of the acceleration at point A

通過(guò)對(duì)算例結(jié)果的分析，得到了此階段力學(xué)環(huán)境的一些特點(diǎn)。

(1)探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼并不敏感，這點(diǎn)與運(yùn)載發(fā)射階段的正弦振動(dòng)環(huán)境與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境不同(對(duì)比文獻(xiàn)［18］)。因?yàn)檎艺駝?dòng)環(huán)境與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，而著陸沖擊環(huán)境是結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，阻尼還來(lái)不及產(chǎn)生很大的作用。圖8與圖9分別對(duì)比了A處不同結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)(0.03和0.06)下沿探測(cè)器縱軸方向的加速度時(shí)域響應(yīng)曲線及沖擊響應(yīng)譜曲線，從圖中可以看出，只有加速度響應(yīng)的高頻分量受到微小的影響。

(2)在高頻段探測(cè)器的著陸沖擊力學(xué)環(huán)境沒(méi)有比運(yùn)載發(fā)射段的正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境更加嚴(yán)酷。這一結(jié)論可通過(guò)比較探測(cè)器著陸沖擊最大期望環(huán)境與發(fā)射階段正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件得到。以A點(diǎn)所在區(qū)域頂板為例，沿探測(cè)器縱軸方向的比較結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，在10-100 Hz的頻段，著陸沖擊最大期望環(huán)境可由正弦振動(dòng)環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜覆蓋;在100 Hz以上頻段，最大期望環(huán)境可由隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜覆蓋。其他區(qū)域也得到了相同的結(jié)果，這里不一一列出。

(3)探測(cè)器著陸沖擊力學(xué)環(huán)境能量主要集中在接近準(zhǔn)靜態(tài)的低頻段(約10 Hz以下)，在這一頻段，著陸沖擊最大期望環(huán)境不能被發(fā)射段力學(xué)環(huán)境覆蓋。同樣以A點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)槔?，從圖9可以看出，最大期望環(huán)境在10 Hz以下頻段沒(méi)有被正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境條件覆蓋。圖11為A點(diǎn)沿探測(cè)器縱軸方向的加速度響應(yīng)的幅頻特性曲線，從圖中可以看出，10 Hz以下頻段的分量比較大。因此在這一頻段，需要設(shè)計(jì)額外的環(huán)境試驗(yàn)條件。

由上可以看出，月球探測(cè)器軟著陸沖擊力學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)主要是由著陸緩沖機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能決定的，對(duì)于這種使用鋁蜂窩緩沖器的腿式著陸探測(cè)器，以上特點(diǎn)是普適的。目前絕大多數(shù)的月球探測(cè)器采用這種成熟的著陸緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此以上結(jié)論可為月球探測(cè)器力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計(jì)提供參考。

6 結(jié)論

提出了一種適用于月球探測(cè)器方案設(shè)計(jì)階段的著陸沖擊力學(xué)環(huán)境預(yù)示方法，并將其應(yīng)用于某探測(cè)器，得到了此階段力學(xué)環(huán)境的一些特點(diǎn)。這些特點(diǎn)具有一定的普適性，可為月球探測(cè)器有效載荷設(shè)計(jì)及測(cè)試條件的制定提供參考。

［1］葉培建，彭 兢.深空探測(cè)與我國(guó)深空探測(cè)展望［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2006，8(10):13-18.

［2］張 熇，柳忠堯，饒 煒.月面軟著陸探測(cè)器地面力學(xué)試驗(yàn)方法研究［J］.航天器工程，2007，16(6):33-38.

［3］Himeblau H，Kern D L，Piersol A G，et al.Dynamic environmental criteria［R］.NASA-HDBK-7005.March，2001.

［4］ North American aviation，inc.General test plan research and development for project apollo spacecraft［R］.NASA-CR-116650，1963.

［5］楮桂柏，張 熇.月球探測(cè)器技術(shù)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［6］Brentjes J.Honeycomb as an energy absorbing material［C］.The 8th AIAA and american society of mechanical engineers，structures， structural dynamics and materials conference，calif，USA，1967:468-473.

［7］王 闖，劉榮強(qiáng)，鄧宗全，等.鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力學(xué)性能的試驗(yàn)及數(shù)值研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27(11):56-61.

［8］馬興瑞，于登云，韓增堯，等.星箭力學(xué)環(huán)境分析與試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27(3):323-331.

［9］ Harris C M，Piersol A G.Shock and vibration handbook(fifth edition)［M］.New York:McgGraw-Hill，2002.

［10］盧來(lái)潔，馬愛(ài)軍，馮雪梅.沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)規(guī)范述評(píng)［J］.振動(dòng)與沖擊，2002，21(2):18-20.

［11］趙玉剛.沖擊響應(yīng)分析方法及其應(yīng)用［D］.杭州:浙江大學(xué)，2004.

［12］王 浚，黃本誠(chéng)，萬(wàn)大才.環(huán)境模擬技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

［13］ Smallwood D O.Improved recursive formula for calculating shock response spectra［J］.Shock and Vibration Bulletin，1980，51(2):211-217.

［14］ MIL-STD-1540C.Test requirements for launch，upperstage，and space vehicles［S］.1994.

［15］柯受金.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗(yàn)(下)［M］.北京:宇航出版社，1996.

［16］振動(dòng)與沖擊手冊(cè)編輯委員會(huì).振動(dòng)與沖擊手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1990.

［17］ MIL-STD-810F.Department of defense test method standard for environmental engineering considerations and laboratory tests［S］. Jan 2000.

［18］鄧宗全，王 闖，劉榮強(qiáng)，等.空間桁架式著陸器的動(dòng)力學(xué)分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2007，26(10):169-173.