Diseño de un mecanismo de aterrizaje para cuerpos celestes pequeños: análisis de la simulación y las pruebas
En primer lugar, los autores repasan brevemente el mecanismo de aterrizaje y la simulación de aterrizaje. El mecanismo de aterrizaje para cuerpos celestes pequeños utilizado en la simulación incluye un pie de aterrizaje, patas de aterrizaje, un elemento cardán, un elemento amortiguador, una base de equipo, entre otros (Fig. 1). En la simulación, se tuvieron en cuenta dos escenarios: (1) el mecanismo de aterrizaje se dirige hacia la pendiente de aterrizaje con Vx > 0 y (2) el mecanismo de aterrizaje se dirige lejos de la pendiente de aterrizaje con Vx < 0. En cada escenario, se clasifican tres modos de aterrizaje según el orden de contacto entre el pie de aterrizaje y la pendiente de aterrizaje, es decir, (a) modo de aterrizaje 1-2, (b) modo de aterrizaje 2-1 y (c) modo de aterrizaje 1-1-1 (con un ángulo de guiñada de 30°). Para todos los modos de aterrizaje en ambos escenarios de simulación, se evita la volcadura del mecanismo de aterrizaje mediante el retrocohete, y no hay deslizamiento de los pies de aterrizaje. Las prestaciones de aterrizaje detalladas se resumen en la Tabla 1. La aceleración máxima de sobrecarga de la base del equipo es inferior a 10 g, y el tiempo de estabilización del aterrizaje es inferior a 4 s. Esto demuestra que el mecanismo de aterrizaje puede aterrizar de forma segura en diferentes condiciones de aterrizaje. Además, cuando Vx > 0, se puede observar que el modo 2-1 tiene el mejor rendimiento de aterrizaje entre los tres modos, y los rendimientos de aterrizaje de los modos 1-2 y 1-1-1 son similares. Cuando Vx < 0, el rendimiento de aterrizaje del modo 2-1 es el mejor, el del modo 1-2 es en general y el del modo 1-1-1 es el peor.
En segundo lugar, se analizan los factores clave que afectan al rendimiento del aterrizaje. (1) Amortiguación del elemento cardán (c2). El tiempo de estabilización del aterrizaje se acorta significativamente y la aceleración de sobrecarga se debilita cuando c2 es variable en comparación con c2 constante. El mecanismo de aterrizaje tiene un mejor rendimiento de aterrizaje cuando c2 es variable. (2) Anclajes de los pies. Los anclajes de los pies afectan al coeficiente de fricción entre los pies de aterrizaje y la superficie de aterrizaje. El deslizamiento hace que el mecanismo de aterrizaje se aleje del punto de aterrizaje, lo que podría afectar al anclaje del sistema de anclaje. La fricción entre el mecanismo de aterrizaje y la superficie de aterrizaje debe ser alta para evitar que el mecanismo de aterrizaje se deslice. El vuelco del mecanismo de aterrizaje debido a la alta fricción puede eliminarse con el empuje del retrocohete. Por lo tanto, es útil diseñar anclajes de los pies en el mecanismo de aterrizaje, ya que puede penetrar en la superficie de aterrizaje y evitar o debilitar el deslizamiento del mecanismo de aterrizaje. (3) Empuje del retrocohete. El empuje del retrocohete puede evitar que el mecanismo de aterrizaje rebote o se voltee, por lo que el empuje del retrocohete es útil para un aterrizaje exitoso. (4) Pendiente de aterrizaje. Cuanto mayor es el ángulo de la pendiente, mayor es la velocidad angular de giro de las patas de aterrizaje y más largo es el tiempo de estabilización del aterrizaje. La influencia del ángulo de la pendiente en la aceleración de sobrecarga de la base del equipo no es evidente. Por lo tanto, se debe seleccionar la superficie de aterrizaje con menor ángulo de pendiente para reducir el tiempo de estabilización del aterrizaje. (5) Actitud de aterrizaje. Cuando el mecanismo de aterrizaje aterriza en diferentes actitudes de aterrizaje dentro de la velocidad de aterrizaje permitida, la aceleración máxima de sobrecarga es inferior a 10 g y el tiempo de estabilización del aterrizaje es inferior a 5 s. El rendimiento del aterrizaje es bueno. Cuando el ángulo de guiñada es de 60° (es decir, el modo de aterrizaje 2-1), el mecanismo de aterrizaje tiene la aceleración de sobrecarga mínima y el tiempo de estabilidad del aterrizaje más corto, y el rendimiento del aterrizaje es el mejor.
A continuación, se verifica la validez del modelo de simulación mediante pruebas. Estas pruebas se llevan a cabo en la plataforma de flotación neumática. Las aceleraciones de aterrizaje se miden utilizando sensores de aceleración. La actitud de aterrizaje del mecanismo de aterrizaje y la ubicación de los sensores se muestran en la Fig. 2. Se llevan a cabo por separado pruebas de aterrizaje en una pendiente de 30° en el modo 1-2, el modo 1-2 y el modo 1-1-1. Estos modos de aterrizaje y velocidades se importan al modelo de simulación. Se compara el rendimiento del aterrizaje entre la prueba y la simulación. La aceleración de sobrecarga de la base del equipo obtenida en la simulación es cercana a la obtenida en la prueba, y el resultado de la simulación es ligeramente mayor que el de la prueba. Esto se debe a la flexibilidad mecánica del mecanismo de aterrizaje, que producirá una deformación flexible en la prueba y absorberá parte de la carga de impacto. Los cambios de la velocidad angular de giro y del ángulo de giro de la pata de aterrizaje en la simulación y la prueba son relativamente coherentes. Pero en el tiempo entre los 0,7 y los 2,5 s en el modo 1-2, alrededor de los 0,5 y los 2 s en el modo 2-1, y durante todo el trayecto en el modo 1-1-1, el ángulo de giro de la pata de aterrizaje en la prueba es inferior al de la simulación. La razón es que la superficie de aterrizaje en la prueba es madera dura y los anclajes de los pies no penetran en la madera dura, lo que provoca un ligero deslizamiento del mecanismo de aterrizaje. Además, se observa que el modo de aterrizaje 2-1 tiene el tiempo de estabilidad más corto, y no hay una relación obvia entre la aceleración de sobrecarga y el modo de aterrizaje.
Por último, los autores llegan a la conclusión de que los siguientes métodos son útiles para mejorar el rendimiento del aterrizaje: (a) el mecanismo de aterrizaje de tres patas debe elegir preferentemente el modo de aterrizaje 2-1. (b) La amortiguación ajustable correspondiente a las condiciones de aterrizaje es útil para mejorar la estabilidad del aterrizaje. (c) Los anclajes de los pies pueden reducir el deslizamiento del aterrizaje y acortar el tiempo de estabilización del aterrizaje. (d) El retrocohete en la parte superior del mecanismo de aterrizaje puede debilitar o evitar el rebote al aterrizar. (e) El mecanismo de aterrizaje debe aterrizar preferentemente en zonas planas.
