哈工大完成新型可重复使用运载火箭腿式可展开着陆机构原型设计及实验

可重复使用运载火箭（RLV）技术是国家和商业航天发射行业中低成本且可靠的空间运输有效方法。因此，在快速成型和增强发射密度方面已逐渐成为主导趋势。着陆机构是可重复使用运载火箭的重要组成部分，起到着陆支撑和吸收冲击的作用。通过回收和重新使用大量翻新的可回收发射系统部件，可以大大降低空间通信、侦察和民用遥感的使用成本，从而使人们能够以更经济的方式探索和开发太空资源。

哈尔滨工业大学于海涛研究团队在中国工程院院刊 Engineering 2023年1月刊发表了题目为《基于Watt连杆的可重复使用运载火箭腿式可展开着陆机构——原理、原型设计和实验验证》的研究性文章，提出了一种新型的可展开着陆机构（LDLM），它采用了Watt-II型六杆机构，并利用连杆变分法得到了优选构型。文章建立了多目标优化范式，使得可展开着陆机构具有着陆支撑区域大、轻量化、连杆内力合理等优点，在此基础上，利用多目标遗传算法（NSGA-II）进化算法得到了可展开式着陆机构设计的最优尺寸参数。文章还研制了全功能可重复使用运载火箭缩比样机，通过集成重力控制的展开方案促进展开动作，避免全范围驱动，采用双重锁紧机构提高展开状态时结构的可靠性，采用多级铝蜂窝缓冲器提供可靠的减震性能。文章指出，所提出的可展开着陆机构可作为未来可重复使用运载火箭潜在的腿式起落架替代方案。

实验结果表明，所研制的着陆装置能够快速平稳地展开，姿态波动较小，可以有效地减小着陆冲击。这是独特的着陆机构与提出的基于重力控制的展开方案和多级蜂窝式缓冲器相结合的结果。与现有采用伸缩式（猎鹰-9，Falcon-9）和平行式（新谢泼德，New Shepard）支撑机构相比，所研制的着陆装置最显著的特点是优化的Watt-II型六杆机构具有着陆支撑区域大、轻量化、连杆内力合理等优点。此外，所提出的着陆装置展开方案具有双重优点。首先不需要使用高压氦资源，只需要轻微的气动初始推动就可以触发展开。其次不需要使用全范围液压或气动驱动，而是通过重力的作用被动展开，使得展开过程更加顺利。

总之，设计的可展开腿式着陆机构在0.2 m自由落体着陆试验中能够实现快速平稳的展开（持续时间小于1.5 s，姿态波动小于6°），同时具有良好的着陆冲击衰减效果，加速度峰值小于10 g。展望未来，研究可以将现有的优化方法从平面机构扩展到空间机构，提供多种具有更佳内在性能的可展开机构构型。此外，未来将重点研究主动展开控制以产生同步展开动作，从而最大程度地减少对可重复使用运载火箭姿态稳定性的动量扰动。最后，未来还可对所提出的可展开腿式着陆机构的可靠性和可维护性进行系统评估和改进，以提高该机构在未来可重复使用运载火箭中的适用性。