月球着陆探测器任务分析研究

介绍月球着陆探测的任务特点,针对飞行过程、着陆过程、月夜生存、月面工作、月面特殊环境及其影响,以及着陆稳定性影响因素和地面试验验证等进行需求分析,可为月球探测器的设计提供参考和借鉴。     

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。
     

月球探测器软着陆动力学仿真

随着深空探测技术的发展,新型月球探测器需要在遍布石块、陨石坑和斜坡等复杂月球表面上着陆,因此有必要对月球着陆探测器的着陆性能进行评估。本文对一种四腿可展开式着陆器进行了合理简化,并用ADAMS软件建立了着陆动力学仿真模型。模型中应用子程序表达缓冲铝蜂窝和月壤的力学性质,通过在预研着陆器的仿真模型上加载,实现了系统的仿真;并得到了月球探测器以给定姿态和着陆速度在不同地面坡度和月壤物理特性下的着陆性能及一般规律,对我国月球探测器软着陆动力学研究具有一定参考价值。     

月球探测器软着陆机构

综述了月球探测器软着陆机构的应用与发展现状。介绍了软着陆机构的性能要求和组成,并根据着陆腿结构和缓冲器种类对软着陆机构进行了分类。讨论了着陆器主体设计、着陆腿结构和缓冲器的模块化设计。阐述了着陆器发射、在轨飞行、着陆和着陆后阶段的动力学研究内容。分析了缓冲器设计、着陆机构基本构型设计,以及缓冲器与基本构型主要参数配置等关键技术,对月球探测器软着陆机构设计有一定的参考意义。     

遮挡阴影对月球探测器热设计的影响分析

月球探测器遮挡形成的阴影是探测器着陆月面之后热设计需要考虑的重要因素,文章从理论上分析了月球探测器着陆于平坦月面地区之后形成的阴影对探测器侧面和底面的影响,并通过建模计算对理论分析结果进行了验证,从而为月球探测器在侧面和底面开设散热面的可能性提供理论依据。     

月球探测器力学环境研究及试验条件制定

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验。文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法。对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件。所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证。     

月球探测器直接软着陆最优轨道设计

研究月球探测器直接软着陆最优轨道的设计问题。首先根据探测器直接软着陆的特点，提出了有限推力最省燃料的最优轨道设计问题；然后利用有限推力月面软着陆的最优推力控制方向的计算公式，研究了边值条件和计算方法；最后通过直接软着陆最优轨道的算例及结果分析，发现开始制动高度越低越省能量；推力方向可变时比不可变时节省能量；推力大小可变相当于采用了多级制动，对安全定点着陆非常有利。     

月面和近月空间环境及其影响

月球探测器所经历的月面和近月空间环境主要包括：月面低重力、月面温度、近月空间辐射、月壤、月尘、月面地形地貌、月面静电等。文章在对月面和近月空间环境研究的基础上,结合国外月球探测器在月球环境方面的研究成果,分析了我国月球探测器所经历的月面和近月空间环境特点及其影响效应,并提出相应的改进措施或必要的试验验证,可为月球探测器的研制提供参考。     

知识资料窗

月球着陆月球着陆不同于火星着陆和金星着陆。因为月球没有大气层，所有靠大气阻力的着陆手段（制动襟翼、降落伞和机翼）都不起作用，只能依靠反向推力制动。所以，无论是载人登月舱还是自动探测器都采用制动火箭减速加上着陆缓冲的办法在月球上实现软着陆。航天器在绕月...     

月球探测器软着陆缓冲机构触月敏感技术

简介了国外月球和火星等探测器软着陆缓冲机构＂触地＂敏感技术与应用,提出了采用冲击加速度检测的探测器软着陆缓冲机构（足垫）触月敏感触发方案,阐述了敏感触发装置的设计思想,分析了探测器软着陆触月过程的动力学响应,论述了触发装置的冲击加速度敏感检测方式与原理以及电路单元设计。该装置比较适合月球探测器软着陆缓冲机构的结构和工作特点,可以满足制导、导航与控制（GNC）主控系统设计要求。     

Introduction to Japanese exploration study to the moon

The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) views the lunar lander SELENE-2 as the successor to the SELENE mission. In this presentation, the mission objectives of SELENE-2 are shown together with the present design status of the spacecraft. JAXA launched the Kaguya (SELENE) lunar orbiter in September 2007, and the spacecraft observed the Moon and a couple of small satellites using 15 instruments. As the next step in lunar exploration, the lunar lander SELENE-2 is being considered. SELENE-2 will land on the lunar surface and perform in-situ scientific observations, environmental investigations, and research for future lunar utilization including human activity. At the same time, it will demonstrate key technologies for lunar and planetary exploration such as precise and safe landing, surface mobility, and overnight survival. The lander will carry laser altimeters, image sensors, and landing radars for precise and safe landing. Landing legs and a precisely controlled propulsion system will also be developed. A rover is being designed to be able to travel over a wide area and observe featured terrain using scientific instruments. Since some of the instruments require long-term observation on the lunar surface, technology for night survival over more than 2 weeks needs to be considered. The SELENE-2 technologies are expected to be one of the stepping stones towards future Japanese human activities on the moon and to expand the possibilities for deep space science.     

月球着陆器软着陆动力学建模与分析综述

为解决着陆器研发过程中着陆稳定性、能量吸收和载荷缓冲等问题,需要开展大量的软着陆动力学仿真分析。文章研究分析了过去几十年中,腿式月球着陆器软着陆动力学仿真数学模型的发展过程及一些最新的建模方法。针对软着陆动力学仿真数学模型的3个方面：着陆器模型、月面模型和着陆腿足垫与月壤的接触模型,给出了各种建模方法之间的联系,并对着...     

月球探测器着陆冲击试验及关键技术研究

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验（模拟的月球重力场下）和1/6模型试验（地球重力场下）两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。     

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。     

基于脉冲子结构的探测器结构动力学优化设计

针对传统结构优化设计中，精细化模型求解复杂结构动响应过于耗时的问题，引入保精度、高效的脉冲子结构方法，提出一种考虑结构动力学响应的优化设计流程，并对月球探测器太阳翼结构进行优化分析，获得了太阳翼结构设计参数，有效地提高了太阳翼动力学特性指标，改善了月球探测器关键位置处的动力学环境。结果表明，脉冲子结构方法可以有效应用于航天器结构动力学优化设计，提高优化设计效率，所得优化结果对实际结构设计具有一定指导意义。     

搭建地月鹊桥的嫦娥四号中继星（英文）

The far side of the moon is a unique place for some scientific investigations. Chang'e 4 is a Chinese lunar far side landing exploration mission. Relay communication satellite, named as Queqiao, is an important and innovative part of Chang'e 4 mission. It can provide relay communication to the lander and the rover operating on the lunar far side to maintain their contacts with Earth. It was launched by LM-4 C launch vehicle at the Xichang Satellite Launch Center on May 21, 2018. After five precise orbit controls and a journey of more than 20 days, Queqiao inserted into final halo mission orbit around Earth-moon libration point 2, located about 65,000 km beyond the moon. It is the world's first communication satellite operating in that orbit. Up to now, Queqiao worked very well and provided reliable, continuous communication relay service for the lander and the rover to ensure the mission success of Chang'e 4 exploration mission. Via Queqiao, the lander and the rover were controlled to work by ground stations and obtained a great amount of scientific data. The mission overview, operation orbit selection, relay communication system design and flight profile were introduced in this article.     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

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。     

鹊桥中继通信卫星在轨运行一年（英文）

Queqiao relay communications satellite was developed to provide relay communications services for the lander and the rover on the far side of the moon. From entering into its halo mission orbit around the Earth-moon libration point 2 on June 14, 2018, it has operated on orbit more than fifteen months. It worked very well and provided reliable, continuous relay communications services for the lander and the rover to accomplish the goals of Chang'e 4 lunar far side soft landing and patrol exploration mission. The on-orbit operation status of Queqiao relay communications satellite is summarized in this paper.