火星探测器减速着陆技术分析

火星的大气环境和地球差异较大,存在着许多未知的因素,火星探测的减速着陆同样充满了风险和挑战。文章通过对美国火星探测减速着陆的重点技术进行分析,并归纳总结了火星探测器减速着陆技术的发展趋势。     

“天问一号”成功着陆火星！北京空间机电研究所研制的火星伞系减速分系统给力！

正在"天问一号"火星探测器着陆火星的过程中,北京空间机电研究所研制的、全新的伞系减速分系统正常工作、不辱使命,为着陆器顺利着陆火星发挥了关键减速作用。"天问一号"火星探测器采用目前国际普遍使用的伞降减速方式,为安全着陆火星进一步减速。但在火星降落伞系统的设计、校核、仿真分析和试验验证方面,和其他国家还有诸多不同。     

轻质化高性能中室压推进系统助力天问一号实现首次火星探测任务

正天问一号首次火星探测任务通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项工作目标,开展火星全球性、综合性的环绕探测,以及在火星表面开展区域性的巡视探测。这是一次中国航天史上深空探测的重要里程碑。本次任务的火星探测器系统由环绕探测器和着陆巡视器组成。环绕探测器只在火星的轨道上飞行,相当于火星的卫星。着陆巡视器则真正进入到火星的大气层,并在火星表面着陆。中室压推进系统是着陆巡视器的动力减速装置(图1)。     

火星大气对降落伞充气性能影响的初步探讨

探测火星一直是人类深空探测的热点之一,火星上因存在大气层。降落伞一直是确保火星探测器安全着陆于火星表面的一种重要的气动减速装置。然而,由于火星上大气密度非常稀薄,因此掌握降落伞在火星大气环境下的充气性能是火星探测器着陆系统工程设计中的关键,同时也是火星探测器减速着陆系统工作性能评定的理论分析模型或数值仿真系统中必须要解决的一个问题。文章通过降落伞轴向-径向动量守恒充气模型,研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化的影响规律。研究结果表明,目前有关降落伞充气性能的一些经验关系式对于火星这种稀薄大气环境已不再适用;在火星稀薄的大气环境下,降落伞的充气时间、充气距离随大气密度的减小将急剧增大;伞衣阻力面积为充气过程中时间的4次多项式关系。该成果对于火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。     

火星EDL过程动力学仿真平台

"进入、减速、着陆(Entry,Descent,Landing,EDL)"火星的过程是实现整个火星探测任务最为重要的阶段之一,着陆成功与否直接决定探测任务的成败。文章对火星探测器自身气动减速阶段、降落伞弹射拉直阶段、降落伞开伞充气阶段、降落伞全张满减速阶段等EDL关键过程分别建立探测器进入段六自由度动力学模型、降落伞理想拉直过程动力学模型、降落伞开伞充气过程动力学模型、物伞及弹性吊挂组合系统着陆过程动力学模型。并在此基础上研制相应的动力学仿真软件模块,将各模块按照EDL过程进行集成,实现模块间数据传递,形成火星EDL全过程动力学仿真系统。最后对"火星探路者"EDL过程进行了动力学仿真分析,校验了系统的有效性和可行性。该平台可用于火星EDL全过程动力学性能的分析与预测。     

“天问”一号火星探测器降落伞研制回顾

正2021年5月15日,我国第一个火星探测器"天问"一号终于踏上了着陆火星的征程,01时许,"天问"一号由停泊轨道转入火星进入轨道。3h后,环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器独自奔赴火星。又3h后,着陆巡视器进入火星大气,开始气动减速。4min后,火星降落伞弹出,充气展开,开始伞系减速,又4min后,降落伞完成减速使命,与着陆平台分离,着陆平台进入动力减速阶段。1min后,着陆平台平稳着陆在火星表面。作为气动减速的主要装置,降落伞不辱使命,表现完美。"天问" 一号所用的降落伞由北京空间机电研究所研制。     

“火星科学实验室”的EDL试验验证技术及启示

介绍了美国"火星科学实验室"(Mars Science Laboratory,MSL)的进入、下降与着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)技术验证体系。该体系可分为EDL飞行动力学、EDL飞行系统和EDL子系统3部分,主要基于仿真建立,同时利用海盗号(Viking)探测器时期的试验数据。针对火星EDL技术的验证,分析了我国已掌握的EDL地面试验技术。通过对比结果表明,我国虽然在气动减速、伞减速、动力下降和着陆技术的试验验证均有良好的技术基础,但仍面临有伞充气过程环境恶劣且复杂、减速下降动作多、大底和背罩分离过程内外环境耦合等新问题。最后针对现有技术所面临的关键问题,梳理出适合我国发展的火星EDL验证体系,并提出了解决关键问题的试验验证方案,可为我国火星着陆任务EDL试验验证工作提供参考。     

美国开展大质量有效载荷火星着陆技术验证

<正>减速技术是保障火星软着陆成功的关键技术之一,是进入、下降与着陆技术的组成部分。未来火星采样返回探测和载人火星探测等任务,需要火星探测器或载人飞船具备更高的火星表面大质量软着陆能力,这要求减速装置有更高的减速性能。为此,NASA于2011年在太空技术项目(STP)中设置了低密度超声速减速器(LDSD)技术验证任务,项目经费1.9亿美元。NASA希望通过对该项技术的验证,提高超声速段减速性能,掌     

“天鹰”系列运载器助力火星探测降落伞高空开伞技术验证

正火星探测器在实施火星着陆过程中有一段伞系减速段(见图1),需要在火星稀薄大气的条件下采用降落伞进行减速,在距火星表面约11 km的高度打开降落伞,将探测器速度由460 m/s减速到95 m/s左右[1]。这个过程中,能否成功实现高空开伞是关键一步。     

火星探测器着陆技术

火星着陆技术是火星探测的关键技术之一。由于火星环境与地球有很大不同,要实现火星探测的软着陆仍具有非常大的挑战性。介绍了各种火星着陆技术方案,对气动减速、控制和着陆缓冲等关键技术进行了分析。     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...     

星球着陆下降发动机及我国登月下降发动机设想

星球着陆下降发动机探测器在外星上进行软着陆时起着关键的作用，目前我国还没有进行软着陆的成熟的发动机，对比较典型的月球和火星着陆下降发动机的特点和种类进行总结，提出了我国着陆下降发动机的方案设想，为我国着陆下降发动机的研制提供技术支持。     

国外深空探测器着陆缓冲系统的特点和应用

主要介绍国外月球和行星探测器的着陆缓冲系统的特点与应用。着陆缓冲系统的基本类型包括软着陆机构、气囊缓冲装置和空中悬吊机结构。其中：软着陆机构由着陆架（腿）、缓冲器和展开锁定机构组成,具有质量较大,结构较简单、可靠的特点,在美国“勘测者”、“阿波罗”、“梦神”和苏联月球号等着陆器中得到了应用;气囊缓冲装置由气体发生器、气囊组件,以及缩回与展开机构组成,具有质量小、包装容积小和着陆稳定性好的特点,在美国“火星探路者”、“火星探测巡视器”,苏联早期月球号着陆器,以及欧洲“贝皮一哥伦布”水星探测器中得到了应用;空中悬吊机结构由空中悬吊机及其推进系统等组成,具有着陆速度低、冲击小和安全可靠的特点,在美国“火星科学实验室”的好奇心号巡视器上得到了应用。     

天问一号探测器软着陆触火关机策略设计

针对天问一号探测器软着陆的安全性和稳定性问题,提出了一种高容错自主触火关机策略.首先考虑探测器进入、下降和着陆过程中大冲击、高动态、强振动环境,造成触火开关误触发的问题,设计了以触火信号、加速度信息以及高精度导航数据相结合的软着陆在线决策方法.通过自主故障诊断和处理策略提高了决策的正确性.然后,利用基于事件触发的发动机...     

美国火星表面探测使命述评（下）

从1975年8月发射（1976年7月着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到MSL＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

美国火星表面探测使命述评（上）

从1975年发射（1976年着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的＂好奇心＂火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

火星精确着陆制导问题分析与展望

美国火星科学实验室(MSL)任务成功将“好奇”号火星车着陆到火星表面,开创了火星精确着陆探测的新局面。以MSL着陆任务为典型代表,分析了目前火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry, Descent and Landing, EDL）过程的制导方案及制导系统的发展趋势。以在火星高海拔、复杂地形区域定点着陆为潜在工程目标,归纳了火星EDL过程面临的制导主要问题。根据未来制导系统自主性和自适应性的技术需求及潜在工程任务制导面临的问题,提出了火星EDL制导方面需要解决的关键技术,并对其在未来工程中的应用潜力进行了展望。     

月球探测器动力下降段最优轨迹参数化方法

为保证月球探测器进入姿态调整段时具有充分的高度与速度余量,本文提出一种基于控制变量参数化的月球探测器动力下降段最优轨迹求解方法。在三维探测器软着陆动力学模型基础上,将月球探测器软着陆制导律设计等效为燃料最优约束下的探测器俯仰角控制问题,利用控制变量参数化(Control Variables Parameterization, CVP)方法将该控制问题中的控制变量与约束条件转化为非线性规划问题求解,并引入时间尺度变换,将着陆时间序列加入待规划参数,进而求得满足精度的最优数值解。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的显式制导律相比,本文提出的参数化制导方法在动力下降段燃料更省,动力下降段的起始高度在±20%范围内波动时,仍能以高精度速度和高度指标完成末制导。     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求，阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等，归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上，结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标，梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术，分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后，对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。