月球着陆环境模拟试验装置的研制

伽马关机敏感器是保证月球着陆器稳定着陆的重要设备,在发射前,须在模拟环境中进行准确的标定测试。月球着陆环境模拟试验装置则是为伽马关机敏感器的准确标定提供试验环境的重要装置。月球着陆环境模拟试验装置由真空容器、真空获得系统、三维着陆模拟系统、模拟月壤环境、场景监视系统以及测控系统组成。该试验装置不仅可以用于伽马关机敏感器的标定试验,而且能够用于月球着陆器的着陆模拟试验。     

基于器间测量的火星进入过程实时高精度导航

精确着陆于火星特定目标区域是未来火星着陆探测的关键技术。面向火星精确着陆需求,研究火星进入过程中基于器间测量的实时高精度导航方法具有重要意义。该方法利用火星已有的环绕探测器,在着陆器接近进入过程中,通过无线电链路获得量测信息,结合器上滤波算法实时估计着陆器的位置与速度状态。仿真结果显示该导航方法可有效提高进入过程中的导航精度。     

两种着陆模式下的着陆器缓冲机构构型优化

分别建立了着陆器在非0高度关机着陆模式下、触地关机着陆模式下的动力学仿真模型。基于仿真模型,应用全因子实验设计方法分析了着陆器在两种着陆模式下的软着陆性能,得到了软着陆极恶劣工况。为了获得软着陆性能最佳的着陆器设计方案,研究了着陆缓冲机构构型参数对软着陆性能的影响。结合仿真模型与实验设计方法获取样本点,构造了极恶劣工况下描述软着陆性能指标值、着陆缓冲机构构型参数之间映射关系的响应面模型。之后利用响应面模型与第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)实现了着陆缓冲机构构型参数的优化。将优化后的参数代入仿真模型验证,着陆器在两种着陆模式下的抗翻倒能力、底面抗损坏能力均得到提升。     

月球着陆器着陆缓冲性能研究

首先基于MSC.Nastran/MSC.Adams软件建立了模拟月球着陆器的动力学模型,并利用模拟月球着陆器在地面冲击试验来验证仿真模型的正确性,重点关注缓冲机构与结构连接处的载荷,结构特征点的加速度响应,以及缓冲器的工作行程。然后利用模拟着陆器地面试验结果修正动力学分析模型,研究表明：着陆器结构和缓冲机构的柔性对缓冲性能具有较大的影响。最后,把动力学分析模型中的模拟结构更换成真实结构,进行着陆器在月球表面的着陆冲击仿真分析,从而获得模拟着陆器地面试验与着陆器在月面着陆的冲击缓冲性能差异。     

月球探测器着陆性能若干影响因素分析

软着陆缓冲装置是月球探测器的核心组成,对其着陆过程进行动力学分析 是着陆器设计的重要环节。论文以四腿悬架式着陆器为研究对象,首先在综合考虑月面非线 性变形、反推火箭残余应力、姿态控制力等基础上建立了探测器倾斜月面着陆过程动力学方 程。其次,研究了月面摩擦系数、月面着陆倾斜角度、反推火箭残余应力、着陆速度对探测 器着陆性能的影响。结果表明探测器着陆稳定性能伴随着月球表面土壤摩擦系数、月面倾斜 角度、着陆速度的升高而急速降低;探测器反推火箭残余应力虽能较大地减缓月面对着 陆器的冲击,但过大却容易导致探测器在月面反弹甚至翻滚。
     

月球着陆器典型故障模式分析

为提高月球着陆器着陆可靠性,需识别潜在的故障模式对稳定性着陆带来的影响。建立了着陆器的动力学模型,给出了着陆器着陆时的七种极限工况,作为故障模式分析的基础;针对动力下降段三种典型故障模式,即主发动机延时关机、储箱残留液体着陆和触月信号延迟发出,建立与延时关机对应的上抛、平抛运动和数学关系,与残留液体着陆等效的单摆模型,施加触月信号延迟发出所产生的推力曲线,利用Adams软件进行动力学仿真;结果表明储箱残留液体着陆影响较小,另外两种故障模式使着陆时抗倾倒性能和缓冲性能恶化,增加着陆不稳定性。     

火星安全着陆轨迹快速生成的能控集法

针对火星着陆器在动力下降过程可能存在的着陆轨迹实时修正和着陆点再选择等问题,本文通过离线计算着陆器在动力下降段开始时的能控集范围,并在实际着陆过程中判断着陆器当前状态与能控集间的关系,实时确定最终着陆点并快速搜索相应着陆轨迹。若着陆器无法到达预定着陆点,则在视野范围内根据安全因子重新选择着陆点规划运动轨迹。仿真表明,基于能控集的快速轨迹规划法可根据着陆器的实际初始状态快速确定最终着陆点并获得相应着陆轨迹,以有限的燃耗实现火星安全软着陆的目标。     

载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对“阿波罗”计划和“星座”计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

月球着陆器有效载荷着陆冲击响应分析

针对传统月球着陆器着陆冲击分析方法未能准确考虑结构柔性对有效载荷着陆冲击响应影响的缺点,提出了一种基于非线性瞬态动力学的着陆器有效载荷着陆冲击响应分析方法。以某型月球着陆器为对象,取其搭载的月球车为研究的有效载荷,建立月球着陆器着陆冲击非线性有限元分析模型。通过分析结果与试验结果对比,验证了模型及方法;进而分析了3种工况下月球车的着陆冲击响应,并研究了着陆器机体及着陆腿结构柔性对其着陆冲击响应的影响。研究结果表明：该方法较之传统着陆冲击分析方法可更为准确的分析有效载荷的着陆冲击响应;着陆器机体和着陆腿结构弹性均能起到减缓月球车着陆冲击响应的作用,其减缓效果分别为0.54g和0.52g,而二者共同作用的减缓效果更是达到了1.54g;着陆腿弹性对所有有效载荷的着陆冲击响应均有减缓作用,但机体结构柔性的减缓作用对其他有效载荷是否适用则需进行有针对性的分析。
     

火星着陆地形信息融合分析技术

文章以火星探测任务为背景,介绍了两种用于实时地形安全性评估的基于多敏感器的地形信息融合分析技术。这些技术综合考虑了影响着陆器安全着陆的多种地形特性信息,如地形粗糙度、坡度等,并且计算简单、处理速度快,能够满足火星着陆实时地形安全分析的要求。     

月球南极着陆区关键特性分析

与月球中低纬度着陆区不同,月球南极地区地形地貌条件较为恶劣,太阳高度角低,对地可见与不可见周期较长,这些关键特性都对南极着陆探测任务提出了挑战。文章结合国内外已开展的研究工作,对南极地区的光照条件、对地可见、地形地貌等方面进行了分析和总结,得到了上述关键特性的规律。南极地区不存在永久光照区,但存在一些几百米尺度的4~9个月的准连续光照区,着陆器的光照条件与着陆器高度密切关联;南极地区光照条件和对地可见受地形影响较大;在50m基线情况下,备选着陆区域平均坡度比较平缓(0°~5°);着陆器尺度5m基线情况下,不同备选着陆区域平均坡度相差较大,最大平均坡度可以达到25°。根据上述分析,对我国开展月球南极探测的任务规划和探测器系统设计提出了建议,主要包括着陆区的选择及探测器主要功能组成等。     

一种利用磁强计和星敏感器的自主导航方法

基于地磁矢量高度方向梯度大的特点能够获得高精度的地心距信息,结合利用星敏感器精密测角信息可以得到航天器地心距矢量的高精度方位信息的特性,提出一种基于磁强计与星敏感器的自主导航方法。同时为降低星上计算量、提高自主导航收敛速度和导航精度,以地球固联坐标系下的轨道动力学方程作为系统状态方程,并在此基础上设计了组合导航扩展卡尔曼滤波器(EKF),利用Swarm卫星高精度磁测数据进行数值仿真校验。结果表明,自主导航滤波器收敛速度快,导航精度明显提高,位置精度和速度精度分别为0.52 km、0.89 m/s(1σ)。     

利用搜索法对嫦娥三号着陆器和巡视器定位

针对嫦娥三号巡视器相对定位时同波束甚长基线干涉测量（VLBI）差分相位时延存在纳秒量级模糊度的问题,提出利用搜索法对巡视器和着陆器的相对位置进行确定,并将该方法应用于着陆器的绝对位置的确定。首先介绍对嫦娥三号着陆器和巡视器测量的模式以及定位的原理,然后进行相应定位计算。利用该方法对着陆器定位结果与统计定位法结果比较,位置差100m左右,与月球勘测轨道飞行器（LRO）航拍定位结果差异在75m;该方法对巡视器在各停泊点的相对定位结果,与统计定位结果比较,位置差小于1m。     

长航时环境下高精度组合导航方法研究与仿真

研究了一种利用捷联惯导、星敏感器和北斗接收机进行长航时高精度组合导航的方法.对捷联惯导系统误差、星敏感器安装误差、北斗定位误差分别进行建模,将星敏感器输出的载体姿态角、北斗接收机输出的载体位置与捷联惯导输出的对应参数分别相减作为量测,推导获得组合导航量测方程.针对长航时环境下可能面临量测噪声统计特性的不确定问题,采用简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行组合导航滤波设计.仿真结果表明,该组合导航方法的定位精度达到±11.86m,定姿精度达到±0.27′,并且对量测噪声统计特性的突变具有较强的鲁棒性.     

火星全向气囊的着陆缓冲特性研究

全向气囊是一种适应性较强的着陆缓冲装置,能在火星着陆过程中有效保护着陆器的安全。文章针对某一种全向气囊与着陆器构型方案,首先建立了气囊和着陆器结构的数学有限元模型,并对全向气囊的着陆缓冲过程进行了动力学仿真,获取重要结构部位的缓冲过载。其次利用全向气囊原理样机,按照仿真时的工况进行了投放试验,测量了相应结构部位的缓冲过载。研究结果表明,理论分析与试验结果基本一致,可为将来火星全向气囊的工程应用研究提供一定的参考。     

基于火星轨道器的着陆器定位误差及可观性分析

针对深空探测过程中地面测控数传能力及着陆器星上功率受限等问题,文章提出了以轨道器为中继站的火星着陆器测量定位方法,旨在工程约束条件下分析地面测控站对着陆器的跟踪情况、轨道器与着陆器之间的可观性以及不同着陆点定位精度的差异,并给出相应的误差改善措施。该手段充分利用轨道器星上设备,达到提高定位精度的目的。结果表明,轨道器与着陆器之间通信的可见性要好于着陆器直接对地通信,有利于着陆器位置的确定;此外,通过几何因子和克劳美罗下限分析发现,若着陆器的着陆点位于轨道器星下点区域内,其定位精度较差。该方法充分利用轨道器与着陆器间的UHF通信链路,可为中国首次火星自主探测任务中着陆器的安全着陆提供参考。     

基于离散元方法的月球着陆器冲击月壤过程分析

月球着陆器在着陆过程中会产生巨大的冲击作用。为了研究月壤材料对着陆器的缓冲作用,文章针对月壤在细观尺度下的离散分布特性,采用离散元方法建立月壤的计算分析模型。在此基础上,简化着陆器模型仅考虑着陆腿的缓冲性能,对着陆过程中着陆器与月壤相互作用的动力冲击过程进行数值分析。通过调整着陆器的质量以及着陆速度,对着陆器着陆过程中的冲击深度、加速度以及冲击力进行了计算分析,研究了月壤对着陆器的缓冲性能。计算结果表明,月壤材料对着陆器有很好的缓冲作用,这为实现安全稳定的软着陆提供了新的研究方向。采用离散元方法分析着陆器在着陆冲击过程中冲击力的变化规律有助于着陆器结构的合理设计和安全性能评估。     

火星着陆器地形测图技术研究

分析了勇气号、机遇号、好奇心号火星漫游车和凤凰号火星着陆器的测图遥感器性能、数据处理技术和火星地形测图产品;提出了火星地形测图未来发展的一些趋势,如遥感器向高分辨率、立体彩色遥感器的方向发展,数字立体摄影测量技术和光倾斜测量技术及激光测高技术将更加紧密融合并相互补充,正在由单一的测图产品向多种数字产品发展,测图产品的精度也在大幅度提高。     

嫦娥四号着陆器月面定时定点着陆轨道控制策略设计与实施

嫦娥四号着陆器的着陆区范围仅为嫦娥三号着陆区范围的5%。为满足在月球背面狭窄着陆区的高精度着陆需求,在嫦娥三号单层迭代的轨道控制策略基础上,提出了一种基于双层迭代的高精度定时定点月面软着陆轨道控制策略,以环月轨道倾角和环月半长轴为设计变量,设计了多发射窗口的定时定点着陆的标称轨道;再通过在近月制动及后续环月轨道控制中引入面外修正速度增量,逐次缩小轨道控制残差,解决了着陆区范围缩小带来的动力下降初始点的位置和时刻精确瞄准的需求。在轨着陆任务完成时,着陆器在动力下降初始点的落点经度预报偏差优于0.1°,落点时刻预报偏差小于1min,表明该轨道控制策略满足任务要求。