朱冠宁¹，聂 宏^1,2，张 明^1,2，陈 力¹

(1. 南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点科学实验室，江苏 南京 210016）

(2. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京210016)

作者简介：朱冠宁（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为垂直起降运载器起落装置设计技术，15651007572@163.com.

摘要：高可靠的着陆缓冲机构是垂直起降可重复使用运载器顺利回收的必要保证。以Space-X公司Falcon-9运载器的着陆支架为参考，提出了垂直起降运载器着陆支架的设计方案，建立了着陆支架的几何拓扑模型。将着陆支架的总体设计参数作为决策变量，运用能量法建立运载器着陆支架的数学模型，以着陆动力学响应及主着陆腿长度为优化目标，对着陆支架的总体布局设计参数进行优化。在ADAMS中建立着陆支架的动力学模型，分别将优化前、后的设计参数输入动力学模型，并对优化前后的动力学响应进行对比。计算结果表明，优化后主着陆腿受到的最大压力以及副着陆腿受到的最大拉力分别降低了23.15%和21.43%，有效地降低了过载，提高了垂直起降运载器的着陆稳定性。

关键词：垂直起降运载器；着陆支架；多目标优化；动力学仿真

中图分类号：V11   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)06-0062-06

可重复使用运载器与传统的一次性运载火箭不同，它从地面起飞并且完成预定发射任务后,全部或部分返回并安全着陆,经过检修维护与燃料加注后能够再次执行新的发射任务。可重复使用运载器通过多次利用运载器的箭体、发动机以及重要的电气设备等，实现运载器生产与发射成本的降低^［1］。

垂直起降可重复使用运载器是众多的可重复使用运载器中的一种，其特点是垂直起飞、垂直降落，充分继承了运载火箭的技术优点。其中，垂直起降可重复使用运载器的成功运用需要得到以下几个关键技术的支持：发动机多次启动技术、发动机大范围推力调节技术、高精度导航及姿态控制技术、再入返回热环境预示和防护技术、栅格舵气动控制技术、高可靠着陆缓冲机构技术、多次启动推进剂管理技术和返场无拆卸快速检测与维护技术^［2］。

着陆支架是一种新型的着陆缓冲机构，其具有可收放、可重复使用、缓冲效率高、着陆稳定性好、占用空间少等优点。在运载器飞行的上升阶段，着陆支架通过锁定装置紧固收拢在运载器表面，内部的着陆缓冲机构收藏在防热外壳内。在运载器返回着陆阶段，着陆支架在气压控制系统的驱动下，迅速展开、锁定，完成着陆缓冲之前的所有部署。运载器在着陆时，利用缓冲器吸收着陆时产生的能量，并降低着陆冲击产生的过载，最终达到运载器软着陆、可回收的目的^［3］。

本文参照Space-X公司的Falcon-9运载器着陆支架的构型^［4］，提出了一种着陆支架总体布局的设计方法，并对总体布局的设计参数进行优化。在ADAMS中建立着陆支架的参数化动力学模型，将两组设计参数分别代入动力学模型，对着陆支架的关键节点载荷、运载器过载、着陆稳定性等动力学响应进行对比验证。

1着陆支架总体布局设计

选用外翻式着陆支架作为垂直起降可重复使用运载器的软着陆系统设计方案。根据着陆支架的设计要求，结合运载器内部的结构，将着陆支架中心对称布置于箭体四周。中心对称式的布局使得外翻式的着陆支架在姿态偏差、速度偏差以及侧风等非对称载荷条件下具有更好的稳定性。