导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第4期 No.4 1999



行星探测器的硬着陆撞击
谈正明　吴江　王晓辉　王心
　　摘要　探测太阳系的行星及其卫星是空间科学和航天技术的重要领域之一。近半个世纪以来，人们一直在筹划使用侵彻器在这些星体着陆。为了解决结构动强度、穿星器弹道稳定性和器件耐撞性等难点，人们需要进行弹道试验和理论分析。
　　　　中国为实现科技现代化作了许多努力，相信中国今后也将会十分重视行星探测器的硬着陆研究。
　　主题词　行星际探测器，硬着陆，碰撞。
Hard Landing Impact of Planet Probe
　　Tan Zhengming　Wu Jiang　Wang Xiaohui　Wang Xin
(Beijing Institute of Strength ＆ Environmental Engineering， Beijing, 100076)
　　Abstract　The exploration of the planets and their satellites within the solar system is one of the important fields in space science and aerospace technology.Since the late half of this century, penetrators have been considered as landers on these bodies.In order to solve those problems such as dynamic strength of structures,ballistic stability of penetrators and impact resistance of elements， the ballistic tests and theoretical analyses are needed .
　　China has made great efforts for the modernization of science and technolgy.It is believed that more attention to hard landing on planets will be paid by our country.
　　Key Words　Interplanetary probe,Hard landing,Collision.
1　引　言
　　探测太阳系内的行星及其卫星，一直是人类空间活动的重要内容。特别是近来， 随着美国发现在月球上存在着冰水， 探测月球的活动变得十分活跃［1～3］。在该项研究中，采用无人驾驶的探测器，在星体表面着陆，测定其地学和热学等参数，是基本的方法。探测器着陆可有软式、半硬式和硬式等多种。其中硬着陆是在硬结构探测器穿入行星表面时，通过行星土介质的变形和同探测器的摩擦来逐步耗散其动能。探测器既可在穿入行星表面时进行动态力学测量，更可在其滞留后测量星体的某些物理特性。
　　 　　行星探测器硬着陆是一种重要而困难的航天技术。当探测器硬着陆时，会受到很大的冲击载荷，其结构本体和内部器件在冲击强度和动态响应上有着许多特殊的问题。本文概述了国内外有关行星硬着陆撞击研究的历史，分析了在材料和结构动力学设计上的难点，阐述了从试验和理论上进行穿星力学研究的主要方法，并且提出了我国及早开展行星穿入器的撞击力学研究和突破关键技术的建议。
2　基本原理
　　航天器经过太空飞行在行星(包括卫星)着陆时，其速度很高。例如，以月球的逃逸速度在月球着陆时，速度达2.35 km/s。 经过高空火箭反推减速，该速度降低为几百米/秒。如图1所示， 用下式近似计算平顶圆柱弹体正撞击行星靶体时的压缩应力［4］:


图1　弹体撞靶
式中　ρ为密度；C为声速；V为弹体速度；下标P和T对应弹和靶。
　　　　一般说来，金属材料超高速碰撞时，物体仍然处于弹-塑性状态，即未完全丧失强度的最低速度为3 km/s。因此，对于直径几十毫米至几百毫米，长度几百毫米至几米，质量几公斤至几百公斤的探测器，在撞击行星前不用火箭反推，在撞击时不主要依靠自身结构的塑性变形，而是依靠土介质的塑性变形，以及探测器同土的摩擦，来缓和着陆时的冲击，使硬结构探测器本身则穿入星体表面。在其穿入表面时和滞留后，利用探测器中传感器和弹载波存仪来测量星体特性，并由传输天线向地球发回测量信号。
　　　　这种硬结构探测器技术比较简单、可靠。特别是当采用子母弹形式，在绕月球轨道飞行的不同区域释放多个侵彻器，用来测量星体多个落区的地学性能，其优点更为突出。
　　　　典型的硬结构探测器见图2。该装置是日本计划1999年发射，在3个落区登月的探测器――月球A。该探测器的登月顺序见图3。

图2　穿月器――月球A

图3　月球A登月
3　研究发展
　　早在50年代，美国和苏联就竞相发展月球等星体的硬着陆探测技术。典型的例子见美国J.S.Rinehart 1959年发表的文章［5］，其应用硬钢球撞击花岗岩试验，速度高达1.8 km/s时，球体尚好。从60年代初起，美国进行了大量的弹体撞击土介质试验，发现了许多惊人的现象。其中有，探测器的高速侵彻深度远比按静强度计算的结果高。如同研究运载器在大气和水中飞行的气动力学和水动力学一样，一门新的学科――地面动力学(Terradynamics)，即在土介质中的飞行力学， 产生和发展起来［6］。经过深入的研究，在60年代中， 美国已经完成硬结构着陆月球探测器的初步设计。由于当时着重发展飞船载人登月，该项技术没有完全实施。
　　但是，由于硬着陆探测器技术有着许多优点，特别是如后所述，连同穿地武器的发展，在70年代以后，火星探测器硬着陆技术又大步发展起来。美国利用战区导弹潘兴Ⅱ进行火星探测模拟试验。 该试验中，直径400 mm的弹体以670 m/s的速度撞击淤沙时， 弹体穿深57 m(图4)。除了弹体头部略有磨损外，本体完好［7］。虽然美国已经具备了向火星发射硬结构探测器的能力，但主要由于经费的限制，原定于80年代的多项火星探测飞行计划搁置起来。

图4　穿入淤沙后的潘兴Ⅱ穿地弹
　　第3次星体硬着陆研究的高潮始于90年代初。种种科学和技术上的需要，加上探测器结构和内部电子器件的改进，促进了国际上探测和开发月球等星体新时期的到来。近期在国际空间活动中奋起直追的日本首先安排了穿月探测器计划。在克服重重困难后，硬着陆月球有望在1999年实现［8］。空间大国俄罗斯也在发展这种火星探测技术。
　　另一个在国际空间活动中有着重要影响的国家集团――欧洲空间局，也正在实施硬结构探测火星计划。
　　星体硬着陆探测器技术发展得到许多其他方面的支持［9～14］。
　　首先是自50年代以来，美国和苏联一直没有间断穿地武器的研究。70年代以来，随着攻击机场、地下指挥中心等设施的需求，他们更在大力发展战术穿地弹。近期，美国在海湾战争中，应用穿地弹攻击地下工事，使得穿地武器已进入实战应用阶段，引起世界关注。
　　穿地弹结构在航天技术中的另一个应用是导弹数据硬回收。记录飞行数据的硬结构穿地弹，随弹道导弹一起高速撞地后回收。
　　核电站防护飞机等外来物体的撞击，也是当今结构动力学的一个热门课题。该项工作同硬结构探测器技术也密切相关。
　　就我国来说，一方面在技术情报上密切跟踪国外的硬结构探测星体的发展，另一方面，从导弹数据硬回收和核电站抗撞加固等方面也可提供不少技术支持。典型的例子见图5～7。其中，图5是撞击模拟试验中穿入混凝土的穿地弹，图6是弹体贯穿混凝土时变形，图7是测量到的弹体垂直穿入混凝土靶的加速度时间历程。
 　　
　　　　　图5　穿入混凝土后的穿地弹　　　　　图6　弹体贯穿混凝土时变形

图7　弹体垂直穿入混凝土靶的加速度时间历程
4　技术难点
4.1　结构冲击强度［7，10］
　　探测器高速撞击星体时，在弹、靶中会产生复杂的冲击载荷和结构响应:星体表面开坑、坑外裂纹、坑下穿洞； 探测器的端头可能被压碎，后部弹体也会因弯曲而折断。
　　为了使探测器耐冲击，首先要选用合适的材料，如钢、钛、钨等，其中钨是今后发展的重点。钢材料也有HY180、D6AC等，其中HY180由于具有良好的屈服强度和断裂韧性，很受重视。在相关项目的研究上，国内在F175超高强度钢的基础上，还在发展新的钢种。
　　大力改善结构的动力学性能是又一个重要方面。一般说来，出现在弹体上的非对称载荷，即横向载荷，是造成探测器变形和破坏的主要原因。大攻角、大倾角和大长径比都将显著削弱弹体的承载能力。特别是攻角，种种研究表明，二三度的攻角就可能引起结构的严重破坏。
4.2　弹道稳定性［6，12］
　　为了获得可靠的、用星体介质变形来耗散探测器动能的能力，也为了测试探测器在星体介质中的侵彻特性，必须使探测器有一个稳定的终点弹道。如果设计不当，虽然弹体结构强度足够，但是由于弹体长径比过小，弹体的终点弹道不会稳定。
　　研究探测器的长径比、头部形状、质心位置、攻角、倾角、速度和土介质力学性能对侵彻器运动特性，特别是弹道稳定性的影响，是侵彻器研究中的一个重要内容。已有的结果表明，探测器长径比、质心位置、攻角、倾角和速度是首先考虑的因素；其次，土的侵彻性和头部形状对侵彻器的终点弹道稳定性也有重要影响。
4.3　器件耐撞性［13］
　　应用探测器在星体着陆的目的是，利用测试装置对星体进行撞击时或撞击后的物理测量。探测器在撞击星体时，其内部器件会承受很高的加速度。随着探测器质量、尺寸和速度等因素变化，该值可高达几十万个g，其内部器件可能遭受严重机械损伤，或者电子功能失效。因此， 确保器件耐受撞击十分重要。特别是，由于测量多种参数和多个测点的需要，其难度更大。
　　现在，国内外都在大力发展弹载波存技术，即利用弹上传感器敏感加速度、热流等信号，用数字存储后，由弹载天线向地球发送。国外穿地武器中的灵巧引信是一项关键技术，近些年来有重大进展。预计该项技术能够移植到星体探测工程中。
5　研究方法
5.1　经验法［4，10］
　　硬结构探测器侵彻星体时，在探测器和星体中出现复杂的力学、物理效应。由于结构的冲击大变形，要考虑非线性；因为存在攻角和倾角，还必须研究三维力学效应；在高速撞击时，如果弹体结构出现显著的变形，这种弹体同靶体的耦合效应加大了问题求解的难度。正是由于探测器侵彻土介质问题的复杂性，决定了必须十分重视试验，以建立侵彻时弹体运动和变形的经验关系式。
　　弹道试验有正弹道和反弹道法两种。反弹道法是发射靶体碰撞固定弹体。这是侵彻力学的一项重大进展，特别适于研究有攻角弹体的结构响应。
　　在弹道试验中，缩比模型试验十分有用。尽管技术上也有很多困难，由于其经济、省时，使其有很大的发展。
　　弹道试验中的加载方法有火箭飞行、飞机空投和火炮等多种。火炮是国内外十分重视的技术。美国专门研究了无后座戴维斯火炮，用于野外试验。
　　弹道测试有高速相机、光干涉仪等光测法和压阻计、应变片等电测法。由于微电子学的发展，弹载波存技术已经成为星体探测试验的主要测试手段。
　　国内的火炮加载侵彻混凝土野外试验已有相当规模。在实验室内，谈正明和吴江等人，运用小口径火炮成功地进行了多项非正撞穿地试验。
5.2　分析法［9,14］
　　在撞击力学研究中十分重视分析法，针对研究的问题，引入简化假设，使得非线性的连续介质物理方程化简为一般的常微分方程或代数方程求解。在弹体侵彻土介质研究中常用空穴膨胀法，假设弹体在侵彻土介质过程中，把弹体当作刚体处理。由此求得作用于弹体的载荷，并确定其运动特性。在求出作用载荷后，再用数值法计算弹体的动态响应。
　　尹放林和王明祥等应用空穴膨胀法计算了弹丸斜侵彻混凝土的深度。吴江和谈正明利用PENCO2D程序计算了弹体有攻角撞击混凝土的侵彻特性。
　　国外近期利用空穴膨胀法，把求得的瞬时侵彻载荷应用于弹体的有限元模型，但把侵彻器的动态响应同靶体作用载荷“耦合”起来。这样，既提高了计算精度，又减轻了工作量。
5.3　数值法［4，11］
　　该方法的基本思路是，把一个连续的物理系统用一个离散的系统代替。其中，有限差分法是，把撞击问题的微分方程，经过离散化，变换成差分方程，然后求解；有限元法是，以一个有限的单元体系代替无限自由度的连续体，利用变分原理把问题化为变分问题，然后求解。由于有限元法特别适于形状和结构复杂的物体，随着计算技术的飞速发展，它的应用日益广泛。
　　国内已经引进了典型的有限元程序EPIC和DYNA。李红和吴江将DYNA2D运用于弹体垂直贯穿混凝土的计算，童轶男则已用EPIC3D计算弹体斜侵彻地靶的响应。
　　在此需要着重说明的是，在数值计算中，十分重视材料本构方程和破坏准则的选取。至今有关这方面的实验和理论研究同数值计算很不适应，今后必须加强这方面的工作。
6　结论与建议
　　a) 借鉴国外发展硬着陆探测器的经验， 建议我国发展穿星器的碰撞力学研究，以把运载器的“上天”和“入地”飞行技术推进到一个新阶段。
　　b) 弹体冲击强度、 弹道稳定性和器件耐撞性是行星侵彻力学研究的3个主要问题，今后需要着力予以解决。
　　c) 经验法、 分析法和数值法是行星硬着陆撞击力学研究的3个基本方法。今后仍要突出试验研究，并且同分析和数值研究方法紧密结合起来。
作者单位：(北京强度与环境研究所，北京, 100076)
参考文献
　1　薛成位.月球探测，势在必行.导弹与航天运载技术, 1998(1).
　2　秦德歧.月球探测再度升温.航天，1998(2).
　3　Doengi F,Burnage S T, et al.Lander shock alleviation techniques.ESA Bulletin,1998(93).
　4　Corbeff G G,Reid S R,Johnson W.Impact loading of plate and shells by free-flying projiectiles.A Review Ins.J.Impact Engng.1996,18(2).
　5　Rinehart J S. Stress associated with lunar landings.JBIS ,1959,17(1).
　6　Smith V L. A method of determining some geological parameters of the surface of planets,1977(7).
　7　Simmons Guestavus J. Surface penetrators――a promising newtype of planetary lander,JBIS,1977,30(7).
　8　Mizutani H,Fujimura A,et al. Present status of lunar――a penetrator development.3rd Symposium on Scientific Satellites and Observatoin,1994.
　9　尹放林，王明祥等.弹丸斜入射对侵彻深度的影响.爆炸与冲击,1998(1).
　10　谈正明，陈炯楠，王全禹.穿地弹的动强度研究.强度与环境，1985(2)
　11　童轶男.尾部质量对斜撞击贯穿效应的影响.第5次全国爆轰与冲击动力学学术会议论文集，1997.
　12　Mumma D,Randall D. Test results of earth penetrators.AD A055968.
　13　Bentley R D, Campbell A B.The Mars penetrator telemetry and control system.Int.Tele.Conference, 1975.
　14　Hacker W L, Galloway J C. An efficient technique for calculating weapon response to penetration loads. 43 Bomb & Warhead Technical Meeting,1993.
收稿日期：1998-12-05
