小行星着陆附着系统弹射机构设计

韩言勋 杨昭

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

小行星探测是当今深空探测的前沿课题之一，可以为太阳系的形成及演化过程提供线索，对研究地球上的生物起源有重要指导意义[1]；其稀缺物质资源可能成为未来开发和利用的宝库。借助科学探测仪器，可以对地外星体进行更全面的探测。目前对小行星探测的方式有地面观测、轨道器探测[2]、取样返回研究[3]等，这些方式对小行星特性的了解逐渐加深和全面，但都有其局限性，即不能实现小行星的本地探测研究。从国外深空探测技术发展来看，着陆探测是最直接有效的探测模式[4]，可以为将来小行星的开发利用奠定基础。

着陆探测的首要任务是将探测器固定在小行星上，其解决方法是在着陆器上设计一种装置，该装置能够实现着陆器在小行星表面的锚固，被称为锚装置。目前小行星的着陆器探测刚起步，但彗星的着陆器探测已在进行中，最为著名的是ESA的Rosetta彗星着陆器[5]，其于2004年发射，其上安装有两个完全相同的锚系统[6]，分别为主锚和副锚，副锚起备份作用；NASA的ST4/Champollion彗星探测器也曾计划对Templel彗星进行着陆探测，ST4着陆器设计了两种方案，方案一的着陆器为三腿式结构，每个着陆脚上分别设计有一个锚系统，锚系统采用火工驱动，通过在着陆器与小行星表面之间建立线绳连接而将着陆器固定[7]；方案二的着陆器末端有一个大的着陆脚，其上设计有伸缩套管式的锚系统，其动力采用火工驱动[8-9]。

国内对小行星和月球等深空探测的着陆研究也在如火如荼的进行中，哈尔滨工业大学[4,10-11]，南京航空航天大学[12]，中国空间技术研究院[13]及其他的研究院所[14-15]对小行星和月球的着陆探测进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。大部分的方案均需要火工品将锚装置以一定初速射向小行星表层，从而实现着陆器在小行星表面的有效固定。

弹射筒是一种比较常用的弹射类火工品，在飞船、卫星、无人机和导弹等领域的应用非常广泛[16-20]，主要用于结构之间的连接与分离，为物体的可靠分离提供速度。为了增加锚装置射入小行星表面后的附着力，需要在锚装置内嵌入另外一种火工装置—延时作动器，在锚装置射入小行星表面后将锚装置内部机构强力展开，增加附着力。延时作动器采用机械式触发，经过延时后伸出中心轴一定行程实现作动功能，将锚装置内部机构完全展开。

本文设计了一种典型的弹射筒与延时作动器共同组成的火工弹射机构，其功能是将锚装置以一定的速度射入小行星表面，锚装置内的延时作动器延期推动锚装置的内部结构展开，增加锚装置的附着力，最终完成探测器在小行星表面的附着功能。弹射机构在弹射锚装置配重相比弹射装有延时作动器的锚装置时速度大幅下降，经分析确认是由于弹射筒内活塞撞击延时作动器的推杆后击发延期针刺雷管，产生的高压燃气推动延时作动器的推杆反向高速撞击活塞，对活塞产生一个很大的反推力，与活塞形成了一个类似于“空气弹簧”结构，造成了弹射机构的弹射速度大幅下降。通过增加延时作动器卡箍的方式将推杆击发雷管后锁住，经过试验证明能够防止推杆反向撞击活塞，从而不再影响弹射速度。该设计方式对弹射机构的设计优化提供技术支撑。

1 弹射机构组成和工作原理

1.1 弹射机构的组成

弹射机构主要由弹射筒、锚装置和延时作动器组成。弹射筒由剪切销、外筒、活塞、底座、点火器和主装药等组成。延时作动器通过螺钉固定在锚装置的壳体内，用剪切销将锚装置固定在弹射筒内，延时作动器的推杆与弹射筒的活塞接触。弹射机构的示意如图1。

1.2 弹射机构的工作原理

弹射机构接到点火信号后点燃点火器，点火器引燃主装药产生高温高压的燃气，活塞在高压燃气作用下向左运动，推动推杆前端的针刺撞击触发延期雷管，活塞继续向前运动剪断剪切销将锚装置以一定的速度弹射出外筒。锚装置刺入目标，延期雷管的延期时间结束后输出端炸药燃烧产生高压燃气将锚装置内的结构展开，增加附着力。

图1 弹射机构的示意Fig.1 Pictures of structure of the catapult mechanism

2 弹射机构的试验验证

2.1 试验过程

通过4个螺钉将弹射机构固定在发火试验工装上，将工装与测力传感器连接，测力传感器固定在试验台上。试验过程用数据采集仪记录推力—时间曲线，通过曲线判读弹射后座力，采样频率为100kHz。以高速摄像实测弹射机构的弹射速度。高速摄像按弹射机构的位置设置机位，通过锚体和标尺作为高速摄像数据处理的依据，高速摄像拍摄帧数为4 000帧/s。通过电子秤测量锚装置射入火山石后的附着力。

2.2 试验结果

弹射机构共进行了3种状态的发火试验，分别为弹射锚装置不含延时作动器仅配相应质量、弹射锚装置（含延时作动器）和弹射锚装置含增加卡箍的延时作动器3种状态。试验的结果如表1所示。

表1 发火试验数据Tab. 1 The data of experiment

为了测量锚装置的附着力，弹射机构射入的目标介质为火山石，锚装置射入火山石的状态如图2所示，其中第2次试验延时作动器的推杆未锁住，第3和4次试验延时作动器的推杆锁住，未突出延时作动器本体。

图2 锚装置射入火山石的状态Fig.2 The state of anchor device rip into vesuvianite

3 试验结果分析

由表1可知，当弹射机构弹射锚装置在序号1时的速度为83.3m/s，弹射含延时作动器的正式锚装置时速度下降到 39.6m/s，速度下降了 52%。通过分析确认延时作动器的推杆针刺到延期雷管后，雷管的延期药开始燃烧，因为推杆和延期雷管之间的空腔非常小，因此会产生高压燃气将推杆反向撞击弹射筒的活塞。同时由于推杆和活塞两端均为高压燃气，随着活塞向前运动，活塞端的燃气压力P1下降，如图3所示，当推杆端燃气压力P2>P1时，推杆阻碍活塞的运动，P2的容腔会逐渐增大，P2则逐渐减小；当P2＜P1时，活塞会推动推杆继续向前运动。如此反复，推杆和活塞就形成了一个类似于“空气弹簧”的结构，大大增加了活塞的运动阻力，造成活塞的输出能量急剧减少，最终锚装置的弹射速度大幅下降。

图3 推杆和活塞形成的“空气弹簧”示意Fig.3 The picture of air spring forming by handspike and piston

为了使延时作动器的推杆刺入延期雷管后能够锁住，重新设计推杆和延时作动器的壳体，增加了一个卡箍，将推杆刺入延期雷管后锁住，不再反向撞击弹射筒的活塞，减小了活塞运动的阻力。

延时作动器增加卡箍后进行了第3和第4次试验，两次试验卡箍均将推杆锁住，弹射速度较第2次试验提高了68%，增加比较明显，且刺入目标的附着力增加了近一倍。因为锚装置和延时作动器内都有剪切销，且结构比较复杂，在弹射过程中锚装置和延时作动器会消耗一部分能量，比单独弹射一个等质量的锚装置配重速度会有小幅的下降。所以第3、4次试验的弹射速度比第1次试验的弹射速度有所下降。

通过以上分析，弹射机构内推杆对活塞的反推力和形成的“空气弹簧”对弹射速度有较大影响，减小活塞的阻力能够大大提高弹射机构的输出能量，提高火药的利用率。对于复杂的弹射机构应尽量减小机构内部结构对活塞的阻力和内部能量的损耗，提高能量的利用率，在保证弹射速度的前提下能够有效减小弹射机构带来的推力和冲击，减少对安装在弹射机构附近精密仪器的损害。

4 结束语

通过对弹射机构内延时作动器推杆锁住前后的状态进行对比分析，当推杆有效锁住时能够大大的提高弹射速度，增加锚装置的附着力，能够在保证弹射速度的前提下有效减小弹射机构工作时的冲击。因此，弹射机构在设计时应尽量减小机构内部结构对活塞的阻力和内部能量的损耗，为弹射机构的结构设计和布局提供参考。