一种新型月壤水冰采样系统设计及试验验证

针对月球极区永久阴影坑深低温环境下，月壤水冰的硬度和机械强度很高，铲挖、钻进等常规采样方式难以实现低耗、快速采样的问题，提出了利用火工爆燃作动的动能侵彻方式快速构建月壤剖面孔洞，利用机械臂将采样工具送至孔内实施样品精确采集的新采样方法，并据此设计了新型月壤水冰采样系统。设计并研制了侵彻单元工程样机，基于力学等效性原则制备了拟实靶体，对工程样机的侵彻效能开展了试验验证。试验结果表明，对于单轴抗压强度30 MPa的模拟月壤水冰力学等效物能实现快速侵彻，侵彻深度可达234 mm,侵彻时间优于1 s。提出的侵彻式造孔和采样方法具有轻量化、低能耗、高效率、高强度月壤对象突破能力强等突出优势，可为后续月壤水冰采样探测任务提供有益借鉴。     

面向月壤采集的多杆深层采样器

采样器是进行月球探测所需要的重要工具之一,它对能否顺利实现月壤采样起到关键作用.目前已有的采样器不能同时满足深层、原样、反复的采样要求.针对月球低重力环境下的月壤采集工作所面对的技术问题,提出一种新型月壤采样器--多杆深层采样器.该采样器装有4根空心钻杆,当一根钻杆钻入地下之后,下一根钻杆通过换杆机构和下钻机构的合作可以实现与地下钻杆的连接,4根钻杆连接后最大可以实现1.5米深的钻探取样.该采样器结构新颖、功能强大,能够同时满足以上三点要求.模拟仿真结果和样机试验证明了该钻探系统的可行性.     

嫦娥五号探测器月面铲挖采样前后状态变化分析

为了深入研究月球演化历史以及太空环境对月球土壤的风化影响,需要定量分析月球表面物质与次表层物质的状态差异。研究提出一种依据彩色图像数据分析月壤状态差异的方法,利用嫦娥五号任务采样期间获取的月球表面铲挖前后的图像数据,分析了每次铲挖前后月球表面的图像灰度表现特性等特征,分析结果表明:月球次表层物质的平均反射率小于表面物质,全色谱段中的平均变化率为-24.71%;局部区域的月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致,全色谱段中的平均变化率为-0.30%;月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致;月球表层颗粒与次表层颗粒组成和化学分子结构可能不一致。分析数据表明嫦娥五号采样位置铲挖前后的原态月壤和新鲜月壤存在明显状态差异,研究结果可为我国后续月球采样实施方案的改进提供基础数据。     

月壤含水特性原位快速预判传感器设计与验证

基于月壤和水冰对不同谱段近红外激光存在吸收/反射差异性的特点,提出了采用多模近红外激光光强差异反演月壤含水特性的水冰原位快速预判方法。通过发射/接收光路同轴设计及多模激光光路分时复用设计,实现了多模激光光学系统轻小型化设计,研制出基于多模近红外激光的月壤水冰原位快速预判传感器工程样机,并开展了针对低含水率极区模拟月壤的含水特性原位预判试验。试验结果表明：该传感器水冰检测限可达0.39%,单次预判时间可优于1 s,光斑直径@检测距离为5 cm@500 mm,传感器具备对地面模拟月壤含水特性进行原位快速预判的能力。     

浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究

文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力—应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机—土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

模拟月壤研究及其在月球探测工程中的应用

在月壤化学成分、物理力学性质等方面研究结果的基础上,文章对国内外模拟月壤的研究进展进行了综合分析,重点阐述了服务于我国嫦娥探月工程的科学探测仪器标定、着陆器组合缓冲性能试验、巡视器移动试验、月表采样试验等研制任务的模拟月壤研究成果及应用情况,包括模拟月壤原料选取及制备工艺,模拟月壤试验场的铺设方法等,结合载人登月等任务需求提出了未来研究工作的发展建议。     

采用视觉伺服的月球样品容器夹持控制方法

嫦娥五号探测器月面采样封装任务需利用采样机械臂及其末端执行机构夹持样品容器,为克服非结构化月面环境对机械臂控制造成的不可知影响,确保精确夹持样品容器,提出并设计了一种视觉伺服样品容器夹持的控制方法和系统。系统通过固定安装相机和"眼在手"相机协同获取机械臂末端执行机构以及样品容器特征,采用扩展卡尔曼滤波算法对机械臂末端执行机构位姿的控制参数进行估计,消除控制位姿的轨迹抖动,实现了对样品容器的精确夹持。最后,通过分析在轨月球样品容器被夹持过程的数据和图像,验证了该视觉伺服控制方法和系统设计正确有效。     

月球无人采样返回任务概念设想

分析了无人月球采样任务,包括采样及封装方式分析,飞行过程选择与轨道初步方案,月面软着陆方式选择,月球轨道交会对接的需求,月面起飞上升的要点,地球大气高速再入返回器的外形选择等。在此基础上提出了三种不同的无人月球采样返回任务概念设想,并对其进行了简要比较和分析。     

月球表层采样样品智能确认方法

表层采样是月球采样探测的重要方式，样品智能确认有助于提升工作效率与复杂问题处理能力。结合月球表层采样铲挖工作过程，分析了铲挖过程中臂载相机图像的特点，模仿有人参与识别过程，提出了层次解耦的月球样品智能识别流程，利用深度学习方法构建了一类深度卷积识别网络，完整地描述了图像、特征、标记在网络中的正反传递关系，并在月球表层采样地面试验中进行了验证，结果表明该方法对不同光照、不同背景、不同过程、不同形态的样品，具有较好的泛化识别能力，误识别率优于8.1%，平均单幅识别时间约0.7 s。     

带机械臂的月面巡视探测器的路径规划方法研究

针对巡视探测器路径规划和机械臂路径规划的不同和两者需要依次执行的连接需求,文章将月面巡视探测器的路径规划过程分为三个阶段：巡视探测器的路径规划、机械臂的路径规划、器臂动态联合的路径规划,针对不同的规划分别提出了不同的规划方法,并进行了仿真验证。研究结果表明,巡视探测器的整个路径规划是一个复杂的运算规划过程,在非结构化月面环境下,基于月面三维数字高程图采用改进的启发式搜索（A＊）算法,可以比较高效地完成巡视探测器的路径规划;在采用蒙特卡罗法建立机械臂可达工作空间的基础上,可以比较简单、准确地获取机械臂的规划路径;巡视探测器整个就位探测过程的实现需要两种规划的动态联合。     

月面巡视探测器地面试验方法与技术综述

“嫦娥三号”任务的圆满完成标志着我国已经突破了软着陆、巡视勘察、月夜生存等一系列深空探测关键技术。由于任务目标以及月面环境的复杂性,对巡视器的地面试验验证工作提出了很高的要求。在研制过程中,不但开展了常规航天器必做的试验项目,还开展了大量的专项试验,充分的地面试验对确保任务的成功发挥了重要作用。文章对“嫦娥三号”巡视器的地面验证需求、验证试验要求、验证试验实施情况进行了分析和总结,主要包括低重力模拟、月表地形地貌模拟、工程模拟月壤的制备与整备、光照环境模拟、月尘模拟等方面,对深空探测器试验方法与技术的发展方向提出了建议。     

月面采样相机的热设计与热分析

月面采样相机安装于月球无人采样返回探测器的机械臂上,其质量小,热耗较大,长期工作在高温环境中,故温度水平成为影响相机能否正常工作的重要因素,须予以分析。文章根据相机工作模式和机械臂的姿态运动特性,构建出适应机械臂运动的热分析模型,提出几种实现相机高温散热的方法,通过对比分析,分别确定了基于OSR涂层和白漆的热控方案,并推演了散热窗口的临界模型,为后续器外设备热设计提供借鉴思路。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

面向浅层月壤的小型取样器研究

面向浅层月壤取样,设计一种重量轻、功耗低、收缩体积小的卷簧式可伸缩月壤取样器,分别给出取样臂的静力学和动力学模型,并进行有限元分析,研究取样臂几何参数对其最大推力的影响,给出最大推力的数学估计公式,研究取样臂为不同长度时取样器的振动模态,得出取样器谐振频率与取样臂长度呈幂函数关系。实验证明取样器能够在模拟月壤、水泥及黄沙样品表面以下10cm内定量取样,取样器在有、无振动时取样的比较实验表明振动法能够有效提高钻进效率、钻进深度和样品抛丢效率。理论分析、仿真及实验验证了取样器设计的合理性及振动法取样的有效性。     

月面软着陆探测器地面力学试验方法研究

月面软着陆探测器的主要任务是携带有效载荷实现在月球表面的安全着陆,其经历的主要过程包括发射段、地月转移段、近月制动段、环月段、着陆段和月面工作段。软着陆探测器面临的月球环境比近地轨道卫星复杂得多。为提高软着陆探测器系统的可靠性,必须进行充分的地面试验,验证软着陆探测器的设计合理性。文章分析了月球软着陆探测器在各飞行过程中面临的力学环境,分析了力学环境对探测器系统的影响及作用效果,提出软着陆探测器需完成的地面力学试验项目,设计相应的试验方法,并给出确定试验量级的基本原则。     

再入参数调整对登月航天器返回再入特性的影响

首先分析了再入参数调整对登月航天器返回再入运动特性的影响;然后利用自主编制的仿真软件,对再入参数调整的影响进行了仿真分析;最后在深入分析仿真结果的基础上,研究了再入参数变化对航天器再入过载、航程、飞行时间及落点散布等的具体影响规律,为后继进一步开展载人月球飞行相关任务的分析设计提供了有益参考。