火星探测是继月球探测又一个地外星体探测热点,其代表当前航天技术的制高点。而火星着陆器性能优劣决定了探测器软着陆的成功与否,直接影响整个探测计划的开展。火星着陆器的着陆缓冲机构作为着陆器最为核心的部件,是火星探测器实现软着陆的核心技术载体。鉴于火星星表环境复杂,存在大量石块、风尘以及漂浮物,且地球与火星间无法实时通信监控着陆,这对火星着陆缓冲机构设计、软着陆缓冲特性及其稳定性提出了更高要求。因此,本文在我国现有的关于火星着陆器着陆缓冲机构的研究基础上,从机构性能、火壤特性及其与足垫相互作用关系和着陆器地面适应能力等方面开展研究,主要内容如下:为了获得火星着陆器着陆缓冲机构运动性能,开展了对着陆缓冲机构的缓冲包络空间、奇异性和足垫轨迹的研究。首先建立了着陆缓冲机构的含有4个广义缓冲坐标位置约束方程并验证其的正确性。其次,研究了着陆缓冲机构在限力杆变形、未变形和收放三种状态下的运动包络空间,获得了着陆缓冲机构足垫位置空间和各关节在不同状态的下的边界和限制。同时,利用数值积分的方式求解缓冲机构的雅克比矩阵,结果表明机构在运动空间内不存在奇异点。此外,介绍了一种基于4个缓冲坐标确定出足垫在空间运动轨迹的求解方法,并利用仿真实验数据进行对比,结果说明该方法的可行性。基于显式有限元方法建立了全柔性单套火星着陆器着陆缓冲机构模型,开展单套着陆缓冲机构的缓冲性能分析与设计。首先,介绍显式有限元计算原理,并对引入误差的能量项进行分析,介绍了一种基于广义能量法的能量/质量守恒准则。基于该准则对着陆缓冲机构进行分析,将分析结果与试验对比,验证了数值模型的合理性。基于验证的有限元模型,利用试验设计软件Dsign-expert建立了过载、下降高度和限力杆侧向变形3个响应量与7个着陆缓冲机构设计参数的响应面代理模型,并采用Sobol’s全局敏感性分析方法确定出对3个响应量的最大敏感性参数项。最后,基于代理模型进行优化设计,以2种预期设计要求为目标,获得了着陆缓冲机构的设计参数和响应值,与仿真结果比较贴合,实现了着陆缓冲机构快速设计的目标。为了获得火壤与足垫相互作用关系对着陆器缓冲性能的影响,调研了火壤以及模拟火壤的物理力学参数、材料方程,并给出相应参数的范围。基于试验设计方法开展了在冲击作用下土壤的力学参数敏感性分析。基于地面力学中Bekker承载理论和Janosi土壤剪切模型,建立了静态情况下足垫垂直承载能力和水平拖拽能力的估算模型,获得了静态作用下不同土壤承载参数与足垫设计参数对足垫承载和拖拽能力的影响。基于修正过的两种土壤采样场的有限元模型,开展了足垫在垂直和斜冲击过程中的动态响应,并分析了在不同速度、质量、角度和采样场下足垫对土壤的最大载荷、侵入位移和速度的影响,并给出了两种状态下土壤在冲击过程中的动态响应。并获得了动态作用下足垫设计参数对足垫承载能力的影响。为了获得着陆器在复杂地面的适应能力,基于已公布的火星表面特征,提出6种典型的特殊地面形式并建立其相应地面模型,分析了着陆缓冲机构地面适应能力,结果表明在6种地面形式下着陆缓冲机构的结构和缓冲性能均满足设计要求。选取2种土壤采样场地面作为着陆面,分别研究了火星着陆器在三种极限工况下的着陆缓冲能力和足垫侵土状态,结果表明在三种极限工况下火星着陆器的着陆缓冲性能满足设计要求并具有良好的稳定性,另外,尽管足垫存在较大的侵土量,舱体离地距离依然满足要求。