火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

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。     

火星着陆器抛背罩分离体气动特性

为便于火星着陆器抛背罩安全性仿真，针对火星着陆器简化外形开展了背罩分离的定常数值计算，分析了着陆平台与背罩之间的气动效应，获得了着陆平台与背罩的轴向力系数随分离间距的变化规律。结果表明：初始分离瞬间，由于着陆平台嵌入背罩内部，它们之间的压力接近驻点压力，随着分离间距的增加，背罩与着陆平台之间的压力逐渐由接近驻点压力慢慢过渡到接近底部绕流压力，至分离间距为0.1倍大底直径后，背罩一直处于着陆平台的底部绕流区。分离间距为0~0.06倍大底直径时，背罩的轴向力系数大于着陆平台，容易分离；分离间距为0.06~6倍大底直径时，着陆平台的轴向力系数大于背罩，存在分离后重新结合并发生碰撞的危险，且在分离间距为1倍大底直径时，着陆平台与背罩之间由于回流作用而产生的吸力达到峰值，此时发生碰撞的危险系数最大；分离间距超过6倍大底直径后，背罩的轴向力系数再次超越着陆平台，可以确保抛背罩安全分离。     

“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。     

天问一号着陆器大底分离触发条件设计方法

针对天问一号着陆器防热大底分离触发条件确定问题,利用数学仿真的方法分析气动特性、防热大底相对着陆器姿态运动等因素对分离安全性的影响,给出可安全分离的触发条件.不同分离触发马赫数的仿真结果表明,较大分离马赫数的碰撞风险较高,但防热大底长期运动趋势由弹道系数决定,相比着陆器下降更快.根据伞降过程着陆器姿态运动及伞绳力特点,...     

天问一号着陆器大底分离安全性分析与验证

针对天问一号着陆器大底分离过程,建立大底分离动力学模型并分析分离安全性,基于分析结果设计了大底分离策略.利用大底分离动力学模型和近距离扰动气动模型,分析了分离过程的相对速度和姿态运动规律,根据大底与着陆器的正分离要求确定了大底分离的最小弹射速度.考虑到着陆器姿态运动影响分离安全性,对着陆器施加角速度阻尼控制并限制了最短...     

火星着陆任务环境特点及影响分析

正与地球再入返回过程相比,火星着陆过程虽有一定相似性,但由于火星在大气成分、大气密度、物理性质等方面与地球存在较大差别,且具有较大不确定性,使得整个着陆过程更为复杂。目前国外已经成功实施的火星着陆任务的着陆过程划分为4个阶段(气动减速段、伞降段、动力下降段和着陆缓冲段),涉及降落伞弹射与充气展开、大底/背罩分离、着陆缓冲机构展开、微波雷达启动测量、制动发动机开机等关键环节,探测器各阶段面临快速切换,时序紧张。此外,正是由于火星与地球环境条件的差异,在地球开展全尺寸全时序飞行验证很难实现,需要用全过程仿真和关键单机/分系统的试验来达到全面验证的目标。     

“天问一号”探测器舱体抛离试验系统设计与验证

火星探测器防热大底和背罩的高速抛离是进入、下降、着陆过程中的关键环节之一,需在地面开展有效的试验验证。文章针对抛防热大底、抛背罩地面试验中高速度、高加速度跟随和空间力、力矩耦合施加问题,提出了采用电机驱动的主动式分离方案和空间力、力矩的耦合控制方法,设计了试验系统并建立了动力学模型,分别开展了仿真和试验验证。试验结果表明,大底和背罩分离过程中的受力状态得到准确施加,且与仿真结果基本吻合,验证了分离方案的可行性。该试验方法有效验证了火星探测器大底和背罩抛离过程的机械安全性,也为其他航天器的分离试验提供了有益参考。     

无人机前开伞式降落过程动力学建模与仿真

文章分析了某型无人机降落伞回收阶段的动力学过程,对各工作阶段的无人机和降落伞的组合体进行了数学建模,使用Matlab软件中的Simulink组件搭建了无人机伞降过程的仿真模型,按照真实飞行和回收工况进行了计算,通过仿真结果与试验数据的比较,验证了模型的正确性.     

"猎兔犬"2着陆器简介

“猎兔犬”2将以高于20000公里/小时的速度进入火星大气,最终落到火星表面上。着陆器前面的防热罩将在借助与上层大气的摩擦来减速的过程中提供防热保护。当速度降到1600公里/小时左右时,着陆器上的一个降落伞将张开,以进一步减速。最后,几个大型气囊将充气,以使着陆器不至于在着陆过程中受损。“猎兔犬”2将完成下列任务:确定着陆场的地质、矿物学和化学成分数据;搜索生命特征(外空生物学);研究天气和气候。它必须在180个火星日内完成其任务(火星日与地球上的一天基本一样长)。着陆后的头几天时间将用于运行预编的程序,对着陆场进行拍照,并…     

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...     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

天问一号探测器火星着陆自主避障技术设计与验证

针对天问一号探测器火星着陆过程多体运动及表面地形不确定性强的任务特点,提出了粗避障与伞-背罩组合体规避的协同控制策略以及激光三维配以双目立体视觉的精避障策略,介绍了障碍检测与规避系统的硬件配置、飞行过程、障碍检测与规避部分算法,并通过地面悬停避障专项试验验证了障碍检测与规避策略的有效性,可为后续火星采样返回任务和载人火...     

“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析

"火星科学实验室"进入、下降与着陆(EDL)技术代表了目前已步入应用阶段的火星探测的最新技术。在分析该方案基础上,对其所应用的升力式进入及进入制导控制技术、基于马赫数的开伞控制技术、"矢量点乘"控制的防热罩分离技术、基于"空中吊车"的动力下降与着陆缓冲技术和"空中吊车"飞离控制技术等进行了分析,可为火星探测研究提供一定的借鉴和参考。     

典型采样返回探测器的进入减速着陆系统分析

通过对典型的采样返回探测器（星尘号和起源号）的研究分析,总结归纳了采样返回探测器进入减速着陆系统的特点,特别是对探测器的气动外形布局、返回轨道设计、防热材料选择、降落伞系统设计等进行了分析,可以为下一步开展月球采样返回任务提供一定的参考。     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄，但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型，并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明：降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大，同时，随着大气密度的减小，降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄,但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型,并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明:降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大,同时,随着大气密度的减小,降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

Lunar lander's three-dimensional translation and yaw rotation motion estimation during a descent phase using optical navigation

Optical navigation for a lunar lander consists of estimating a lander's 3-dimensional (3-D) relative dynamic motion with respect to a preselected landing site using a passive 2-dimensional (2-D) video image sequence. Lunar landing missions require a lander to perform an autonomous accurate landing with simple mechanical structure, easy operation and low cost. These requirements have motivated the need to develop an advanced navigation system. Existing navigation systems trade-off simplicity, accuracy and cost. High accuracy navigation systems typically imply complexity and high cost. In this paper, we consider a scenario where the descending phase starts from an initial altitude of 10 km with a time-of-descent of 100 s. The navigation camera is an off-the-shelf optical instrument used to take the video image sequence of the landing site during the landing phase. It is fed into the motion estimation algorithm to be processed. The continuous wavelet transform (CWT) is used to analyse each image frame of the input digital video image sequence. The output is a 2-D video image motion trajectory map, which represents the projection motion of the landing site. The 2-D video image motion is projected back to the 3-D lander's relative motion based on a geometric analysis. The outputs of this estimation algorithm are the 3-D attitude motion parameters of the lander at a time corresponding to an image being taken. The attitude determination and control system (ADCS) of the lander uses these data to perform the lander's attitude control task. In this article, we provide the motion modelling for a lunar lander during the descending phase. The projection of a 3-D planar to 2-D image plane is analysed which build the correspondence between the 3-D lander's motion and the 2-D image motion. This link provides the evidence for the geometry analysis. CWT is reviewed and CWT for video image sequence analysis is also introduced. Numerical simulation of the estimated 2-D video image sequence under the lander performing a 3-D translation and yaw rotation during the terminal descent are shown to verify the proposed concepts. The analysis of the results show that the proposed method achieves highly accurate 2-D video image motion estimation of less then 1% error with significant savings of cost, mass and volume. It leads to the accurate estimation of the lander's 3-D relative motion with respect to the landing site.