垂直起降可重复使用运载器的支腿缓冲器设计及分析

发布时间：2020-05-19 11:58

【摘要】：可重复使用运载器采用不同方式对火箭进行回收,经过维护后实现部分硬件重复使用,从而大幅降低火箭发射成本、简化地面配套设备,具有极高的军事和民用价值。着陆缓冲系统是火箭实现安全软着陆的重要保证。而支腿缓冲器是着陆缓冲系统中关键组成部分。由于缓冲系统的制造成本远远小于火箭的总发射成本,所以火箭发射后利用缓冲系统对火箭进行软着陆回收,火箭硬件设备可以通过维护达到再次使用的标准,同时缓冲系统也只需要更换支腿缓冲器就可以实现再次使用。因此,开展支腿缓冲器的研究对提高我国航天运载器回收水平具有重要的意义。针对垂直起降可重复使用运载器软着陆过程,分析了水平速度、着陆姿态角、地面摩擦系数以及侧倾角速度对着陆缓冲特性影响;对支腿缓冲器刚度与阻尼对着陆缓冲特性的影响进行了探讨,并针对缓冲器刚度与阻尼进行优化;研究各个影响因素组合下火箭着陆时的综合极端工况,并针对火箭着陆综合极端工况确定出缓冲器指标需求。分析单个支腿缓冲器可能吸收的最大能量,根据缓冲器指标需求提出了三种缓冲方案,分析蜂窝单级缓冲方式、蜂窝两级缓冲方式以及薄壁金属管塑性变形缓冲器的优缺点,并确定采用蜂窝两级缓冲的方式;针对支腿缓冲器尺寸参数进行了优化设计,基于质量与体积最小为目标对铝蜂窝材料参数进行了优化设计,建立了支腿缓冲器三维模型。基于LS-DYNA建立了蜂窝有限元模型,分析网格单元尺寸以及冲击速度对蜂窝缓冲特性影响。针对蜂窝缓冲器进行了仿真分析,对蜂窝压溃过程中的变形特点与缓冲特性进行了探讨。通过实验的方式对支腿缓冲器的吸能特性进行实验验证,实验结果表明蜂窝有限元模型的准确性和可行性。基于支腿缓冲器的吸能特性对可重复使用运载器着陆过程进行了仿真验证。
【图文】：

火箭为动力的多级入轨方式，，同时实现部分或完全重复利继承目前传统火箭技术的经验成果又可以降低火箭发射的复使用运载火箭技术的研究成为世界各国的重点研究方向 9 月 30 日，SpaceX 公司对外宣布其公司将开展可重复使型号为法尔肯 9 号。它包括可重复使用的一子级、二子级级分离后垂直返回，二子级将有效载荷送入预定轨道后再箭的回收方案如图 1-1 所示。

图 1-2 Surveyor 1 着陆器[14]，着陆腿完全展开后足垫到中心过铝合金管连接而成，这样有料，着陆时通过压溃铝蜂窝材料蜂窝材料，为后来美国开展 A此后续多次开展的 Apollo 系列射了 Apollo 11 号月球探测器，着陆器，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V421

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本文编号：2670857