地外探测取样容器再入过程动力学建模及仿真分析

高洁 赵会光 刘欣



地外探测取样容器再入过程动力学建模及仿真分析

高洁 赵会光 刘欣

（中国空间技术研究院总体部，北京 100094）

无人取样返回是开展地外星体探测的重要手段之一，也是深入开展未知星体载人着陆探测的必要准备。取样返回飞行器基于不同的技术基础及返回技术发展需求，在再入大气过程中可能采用不同的返回方式，如美国、苏联/俄罗斯和日本的返回飞行器均采用了弹道式的返回方式；中国探月三期的月球取样返回器采用了跳跃式返回方式。在不同的再入弹道情况下，取样容器的受力情况有所不同。由于地外星体取样返回是我国首次开展的一项工程实践，所以尚未有针对该问题开展专项的动力学建模及相应的仿真分析。文章对样品容器在返回过程中的力学环境进行建模，分别沿轴向和法向建立样品容器的动力学模型，以典型再入弹道条件下样品容器的受力情况为研究对象，对样品容器准静态和考虑动态振动环境条件下的受力情况及运动进行分析，获得样品容器在返回过程中的动力学特性，为取样返回容器的设计提供参考。

准静态 动态振动 取样容器 返回过程 动力学 地外探测

0 引言

20世纪70年代，当时的苏联在月球（Luna）系列探测任务中进行了3次无人自主月球土壤取样与返回任务[1-2]。20世纪之后，日本在地外天体取样研究中进行了成功实践，2003年5月9日，日本隼鸟号探测器对丝川小行星进行探测[3-4]，2010年6月13日探测器完成取样任务并成功返回。2009年，美国NASA和欧空局（ESA）联合发布探测火星计划，规划于2018年发射“火星取样返回任务”，最终目的是在2020年前后实现火星采样返回[5-8]。我国以月球探测为起点，有序规划并开展了“绕、落、回”的三步探测思路，目前已经成功完成了绕月、落月的工程研制，现正在开展取样返回任务的工程研制[9-10]；此外，火星着陆探测任务也已经立项研制，后续随着地外星体探测的发展，进一步开展火星及其他星体的取样返回研究将是未来空间探测的必由之路。本文以取样容器在再入大气过程中的受力情况为研究对象，对样品容器再入飞行过程进行动力学建模，并基于此开展仿真分析，获得其在准静态和考虑动态振动条件下的受力和运动情况，为取样容器的方案设计提供依据。同时，为样品容器锁紧机构存在故障情况下，样品的状态分析和运输可靠性确认提供参考。

1 样品容器再入大气飞行过程动力学建模

本文以样品容器为研究对象，根据样品容器与取样返回飞行器（简称飞行器）的位置约束关系以及样品容器的受力情况进行动力学建模。

1.1 坐标系定义

样品容器运动坐标系：以样品容器质心作为坐标原点，沿飞行器纵轴方向为轴，在飞行器纵对称平面内，垂直于纵轴方向为轴，轴满足右手定则。

飞行器沿轴的运动主要为零侧滑角附近的振荡，与样品容器沿轴方向的运动相似，所以本文主要对主对称面内样品容器的运动进行研究。分别定义沿轴方向的运动为轴向运动；沿轴方向的运动为法向运动。取样容器与飞行器的位置及运动方向如图1所示。

1.2 动力学建模

以样品容器为研究对象进行动力学建模。样品容器在再入过程中受到重力和飞行器舱壁的接触力作用；在进行受力分析时，认为样品容器在再入过程中的飞行轨迹瞬时与飞行器相同。分别沿返回器轴向和法向进行受力分析[11-17]。动力学模型如下。

式中n为地球重力加速度；为样品质量；A为样品容器沿轴向加速度；N为样品容器沿法向加速度；VA为速度大小变化对应的加速度；VN为速度方向变化对应的加速度；N为飞行器舱壁对样品容器沿法向作用力分量；A为飞行器舱壁对样品容器沿轴向作用力分量；为飞行路径角，为速度与水平面的夹角；为飞行攻角，为飞行器速度轴与体轴夹角。

速度大小和方向变化对应的加速度VA和VN由再入飞行弹道确定。

样品容器在再入飞行过程中的受力情况如图2所示。

1.3 运动学建模

定义样品容器纵轴与飞行器纵轴重合时法向位移为0，样品容器沿轴向前壁面与飞行器舱壁接触时轴向位移为0。分别用A和N表示样品容器与飞行器舱壁沿轴向和法向的位移。其中，A0和N0表示相应方向的初始位移，Amax和Nmax表示相应方向的最大位移。表示时间，A0和N0表示样品容器相对于飞行器舱壁的轴向和法向初始运行速度。

根据空间位置约束关系，建立样品容器的位移约束模型：

2 典型再入弹道情况下样品容器受力情况仿真分析

本文以阿波罗6号返回舱跳跃式再入大气飞行过程弹道为例，对该弹道条件下样品容器的受力情况开展仿真分析。“阿波罗6号”返回舱相对于地球以10.01km/s的速度进入地球大气，再入角约为–5.89°，硬着陆弹道相应的飞行时间约为750s[18-20]。返回飞行弹道如图3所示。

返回舱再入飞行过程攻角为–23°,假设飞行器留给样品容器的空间，保证样品容器的法向位移Amax≤25mm，轴向位移Nmax≤10mm。

2.1 准静态情况样品容器的受力及位移情况分析

仅考虑飞行器再入过程中静态载荷作用时，对典型再入情况对应的样品容器的轴向、法向的受力和位移情况进行分析。本中分析结果中，轴向力和法向力均以作用力相对于地球万有引力系数的比值表示，相当于过载的概念。图4给出了样品容器在“阿波罗6号”返回舱再入弹道条件下的受力分析结果。

从上面的分析可知，在返回飞行过程中，样品容器在沿体轴和法向均受飞行器舱壁作用，并且与飞行航迹相关，有大小和正负的变化，具体特点可概括为以下几点：

1）飞行器舱壁对样品容器轴向/法向作用力变化趋势与飞行器再入大气飞行过程的过载变化趋势一致，在气动过载达到峰值时，轴向/法向作用力也达到最大（绝对值）；

2）飞行器舱壁对样品容器的法向作用力沿再入弹道有正有负。在刚进入大气边界和跳出大气层飞行段（>80km），飞行器舱壁对样品容器的法向力为较小的正值，即样品容器与飞行器下舱壁面有接触；初次再入飞行段和二次再入飞行段样品容器受到的作用力为负，即样品容器与飞行器上舱壁面接触；

3）仅考虑静态载荷作用时，飞行器舱壁对样品容器的轴向作用力沿再入弹道始终为负。在跳出大气飞行段（>80km），轴向作用力是绝对值很小的负值。

2.2 考虑动态振动环境条件的力及位移情况分析

本文主要针对于样品容器在基本方案设计和容器锁紧机构发生故障情况下的运输可靠性进行分析，所以仅考虑样正、负向常值振动载荷。假设传递至样品容器的过载大小分为–8n和8n。

2.2.1 轴向负向动态振动环境条件的分析

在样品容器由于动态振动环境产生轴向过载为–8n时，不考虑样品容器与飞行器接触面直接的摩擦，将–8n动态载荷代入动力学模型可知：法向运动与准静态情况相同，轴向方向是在原受力基础上的叠加。下图6给出动态振动量级为–8n时，样品容器在再入情况下相应的轴向受力情况。样品初始位置分别在样品容器前壁面（初始位移为0）和后壁面（初始位移为–10mm）两种情况对应的轴向力情况。

2.2.2 轴向正向动态振动的分析

当外界动态环境沿轴向为正方向的振动时，样品容器会出现远离前壁面的运动趋势。考虑8n的动态载荷条件，以及法向位移不大于10mm的空间约束，样品容器的轴向受力情况如下图7所示。

从图中可以看出，当轴向动态环境为正向振动时，样品容器会出现远离飞行器舱体前壁面的运动，但由于后壁面的约束，会出现不断的轴向上下地面往复振荡。由于样品容器与飞行器沿轴向的间隙较小（取10mm），所以振动很频繁。

从上面的分析可知，沿轴向的动态振动环境会对样品容器受力及运动情况造成显著影响。其中正、负向动态环境的影响可以总结如下：

1）动态振动为负向时，样品容器始终与飞行器舱壁接触，动态环境的影响是增加飞行器舱壁对样品容器的接触力；

2）动态振动为正向时，考虑上面舱盖的约束，样品容器会出现轴向的往复振荡运动，在10mm间隙情况下，这种振动很频繁。当容器舱门出现松动或锁定不可靠，存在样品飞出容器的风险

3 结束语

取样返回研究是未来进行地外星体探测的重要手段，本文以取样返回飞行器样品容器为研究对象，对其在再入大气飞行过程进行动力学建模，并以典型跳跃式返回飞行过程为例，对样品容器在再入飞行过程中的准静态和动态振动条件下的受力情况及其在飞行器舱内位移情况进行仿真分析。分析结果显示，准静态情况下，样品容器主要存在法向的运动；在考虑飞行器进入大气时的动态振动时，负的轴向过载会引起样品容器与飞行器舱体的挤压，正的轴向过载会引起样品容器与飞行器舱壁底面的持续碰撞。本文获得的动力学模型可同样推广用于弹道式和半升力返回模式下的样品容器受力研究，相应的分析结果可作为取样装置设计的依据。

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Dynamics Modeling and Simulation of Sample Container during Entry from Planetary Exploration

GAO Jie ZHAO Huiguang LIU Xin

（Insutitte of Spacecraft System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

Robotic sample return exploration will be an essential way for extro-planet exploration, which is also a necessary preparation for human landing exploration. Under different technology besis or for specific develop requirement, capsule will entry earth in various ways. For example, the entry capsules of United States, Russia and Japan all adopt ballistic entry, whereas Chinese lunar exploration project takes skip reentry. For sample container, mechanical performance relies on entry environment closely. As extro-planet sample return has never been implemented in China, specific dynamic modeling and simulation has not been studied before. This paper builds dynamic model of sample container during entry firstly, including axial and normal position. Then, The force and motion station of the sample container is analyzed in quasi-static and dynamic condition by setting the force situation of sample container during entry in typical trajectory as the object of study, and obtains the motion characteristic of the sample container during entry finally. The results of this paper will be available for the design of sample container.

quasi-stastic; dynamic vibrating; sample container; entry process; dynamics; planetary exploration

V412.4

A

1009-8518(2018)05-0018-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.003

高洁，女，1985年生，2010年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位，工程师。现从事返回卫星总体设计工作。E-mail: suzhou33050421@163.com。

2018-02-20

（编辑：刘颖）