可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

基于SIM仿真平台的载人登月软着陆任务研究

为确保环月空间站各项探月任务的协调开展,依据载人登月总体论证任务的特点,研制了具有分布式仿真特性的全数字载人登月任务仿真平台(SIM)。针对月面着陆问题,在SIM仿真平台上,以软着陆3自由度动力学模型作为飞行任务仿真单元,变网格Radau伪谱法作为任务规划单元的核心算法,同时考察着陆过程中的推力、过载以及应急条件等多种约束,对月面着陆器与上升飞行器组合体进行了载人登月软着陆任务仿真分析,结果验证了SIM仿真平台的可扩展性,同时验证了基于变网格Radau伪谱法规划法的有效性。     

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。     

航空航天计划中的技术继承与创新—苏联登月计划失败的教训

60年代美国和苏联都制定了雄伟的登月计划。与美国大张旗鼓的宣传不同,苏联的登月计划一直处在高度保密状态。从各种资料分析,苏联的登月计划分两个步骤,一是载人环月飞行,一是载人登月。可能由于竞争意识,后来改为直接登月。结果,美国成功地将12名宇航员送到了月球上,而苏联的登月计划因运载火箭多次发射     

嫦娥探测器分段渐倾转移机构设计

巡视探测器转移机构是在地外空间环境执行巡视探测器转移释放任务的空间机构。与美国、苏联转移任务不同，中国探月工程（CLEP）二期着陆器采用腿式着陆缓冲机构及巡视器顶部搭载方式，转移任务沿着陆器周向展开距离及巡视器释放高度增加，转移难度增大。在设计阶段，转移机构是否符合探测任务严苛的工程约束及设计指标；在执行阶段，转移机构能否在月面非确知环境下正常展开、转移过程是否稳定可靠，是嫦娥探测器顺利完成探测任务的关键。为保障月球后续任务及火星探测任务中转移机构的设计需要，根据巡视器转移系统特点，以探月二期工程中首次探索并成功自主设计定型的嫦娥分段渐倾转移机构为例，对巡视器转移系统的组成、任务需求及设计约束予以阐述，并结合参研人员经验，对机构研制方案的选取、关键环节设计、工程状态及任务验证情况进行说明，以为后续工作及相关工程提供参考。     

基于组合导航的月面起飞自主对准技术

针对载人登月返回任务中月面起飞过程中的自主对准问题,采用星间链路、天文观测以及惯性测量的组合方法,进行非线性状态估计(二阶分离插值滤波—DDF2算法)以获得高精度着陆器的位置,并利用获得的位置信息对惯性导航进行修正,以消除惯性导航过程中产生的积累误差。仿真结果表明,该组合导航方法能够提供高精度的自主定位,为月面起飞提供可靠性保障。     

人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望

针对我国载人登月工程目标和任务需求,综述了人机共融机器人技术的研究进展,分析月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术。在此基础上制定了共融机器人系统在我国首次载人登月中的任务目标和能力需求,提出首次载人登月中"人机共融"作业系统的工作模式。为共融机器人在我国后续无人、载人月球探测以及月面驻留服务的应用提供借鉴和参考。     

基于地月L1点的载人登月飞行方案分析

为解决传统载人登月方案中重型运载火箭难以研制、交会对接窗口选择困难等问题,提出了符合我国现有技术条件的基于地月L1点的载人登月方案设想。基于对圆形限制性三体模型和地月三,点特性的分析,将载人登月任务划分为不同的飞行阶段,研究了载人登月任务的规模、系统组成以及各舱段的质量分配等。通过与基于环月轨道方案各参数的分析和对比,提出通过付出较小代价将基于环月轨道的载人登月方案转化为基于地月,L1点的载人登月方案的方法。结果分析表明,经方案转化,不但能充分发挥地月L1点的优势,而且在一定条件下可以使节省燃料成为可能。     

嫦娥三号着陆器统计定位精度分析

“嫦娥三号”将在月球放置着陆器,实现月面软着陆,因此,需要对着陆器进行精确定位.本文简述了月球着陆器的统计定位方法与协方差分析理论,分析了影响统计定位精度的主要误差源.基于现有测控条件,从跟踪弧段和测量数据组合2个方面,对“嫦娥三号”着陆器的定位精度进行了分析.针对短弧条件下单站测距数据定位不稳键的问题,提出了结合月面高程约束的定位方法.协方差分析结果表明：高程数据的使用可以实现单站30 min测距优于1 km的定位精度;当观测数据累积至3d时,单站测量与VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）的不同组合可以实现同等量级、优于百m的定位精度;测量系统差是制约定位精度的主要因素,完全标校测量的系统偏差则能实现10 m左右的定位精度.     

深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素

以对称分布四腿悬架式月球着陆器为研究对象,建立了着陆器软着陆过程六自由度动力学模型并改进了月壤摩擦系数模型;在以上动力学模型基础上,以月球着陆器为例编制了着陆器软着陆六自由度动力学分析程序,利用该程序分析了探测器全机月面软着陆性能,重点研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面倾斜角度等参数对探测器着陆性能的影响。研究表明上述影响因素对着陆器着陆缓冲性能影响显著,通过对以上参数的合理选择可以有效缓解月球探测器月面软着陆的着陆冲击过载。     

脉冲子结构与有限元刚-弹混合连接的子结构方法

航天器结构的日益复杂庞大对系统级的动力学建模仿真以及进一步的结构优化提出了巨大挑战。为提高动力学求解效率,通常引用动态子结构方法。本文利用适于处理瞬态冲击问题的脉冲子结构(IBS)方法,并对其进行改进,将基于脉冲响应函数(IRF)的子结构与有限元建立的子结构综合,同时考虑刚性、弹性以及刚-弹混合连接情形下的子结构综合格式。通过3个数值算例,验证了方法的正确性。最后将刚-弹混合连接下的子结构方法应用到月球探测器软着陆的动态响应预测,结果表明该方法适于对月球探测器软着陆动态响应进行高精度快速预测,并且可以应用于月球探测器的局部动力学结构优化。     

月球车释放对着陆器稳定性的影响

因基于摇臂式月球车释放机构在月球车释放时对着陆器的倾翻力矩较大,易使着陆器倾翻而导致整个探测任务失败,所以对月球车着陆释放时着陆器稳定性的研究尤为重要.将着陆器腿不等量压缩、月面坡度、低重力环境、释放加速度等因素进行参数化处理;应用D-H坐标法得到基于各参量的支撑多边形坐标以及着陆器和月球车的位姿方程,进而建立了月球车...     

月球着陆器软着陆状态跳跃半主动控制

 将磁流变阻尼器应用到月球着陆器着陆机构中,进行减震与缓冲。考虑到着陆初始姿态角的不定和月面斜角的未知,建立起着陆器软着陆动力学模型。基于磁流变液在高速流与长冲程时的阻尼特性,分析了磁流变阻尼器的力学特性。应用安全角面的概念定义安全着陆所要求的着陆初始姿态角与月面斜角之间的关系,建立状态跳跃控制策略,实现软着陆半主动控制。通过与某型被动控制的着陆器进行对比分析,研究了半主动控制。研究结果表明：当允许的最大加速度响应不超过8g时,磁流变半主动状态跳跃控制的安全角面为理想安全角面的0.977 4,是被动控制安全角面的4.2倍,最大加速度变化的相对标准差为被动控制的0.59;而且当着陆初始姿态角以及月面斜角很大时,月球着陆器姿态角变化少,保证月球着陆器平稳着陆。     

Overloading of Landing Based on the Deformation of the Lunar Lander

Along with the progress of sciences and technologies, a lot of explorations are taken in many countries or organizations in succession. Lunar, the natural satellite of the earth, become a focus of the space discovery again recently because of its abundant resource and high value in use. Lunar exploration is also one of the most important projects in China. A primary objective of the probe in lunar is to soft-land a manned spacecraft on the lunar surface. The soft-landing system is the key composition of the lunar lander. In the overall design of lunar lander, the analysis of touchdown dynamics during landing stage is an important work. The rigid-flexible coupling dynamics of a system with flexible cantilevers attached to the main lander is analyzed. The equations are derived from the subsystem method. Results show that the deformations of cantilevers have considerable effect on the overloading of the lunar lander system.     

玉兔号巡视器导航定位中的多目标管理方法

基于多目标管理方法,阐述了玉兔号巡视器定位多目标管理的概念。兼顾技术成熟度、定位效率、冗余验证和阶段化分层管理等原则,对玉兔号巡视器着陆点和导航点的定位方法进行建模及分析比较,给出对应的定位方案。最后,将基于此多目标管理方法制定的方案,应用于玉兔号巡视器的定位任务,定位精度优于亚像素级,相对定位精度优于4％。     

含局部非线性的月球探测器软着陆动力学模型降阶分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,能够较全面地反映出各种非线性因素。针对非线性有限元求解耗时长的弱点,考虑到探测器的局部非线性特性,利用广义动力缩聚（GDR）方法建立了月球探测器中心体的降阶模型。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则,在广义动力缩聚方法的基础上筛选少数几阶模态影响系数（MIC）较高的模态表征中心体的加速度响应,能够进一步降低模型的阶数。将降阶的中心体模型与含非线性的缓冲机构连接后进行的软着陆动力学分析能够准确而快速地预估探测器测点的加速度响应,与非降阶模型对比,计算时间缩短了75.5%,加速度响应的相对峰值误差控制在5%以内。数值仿真表明,广义动力缩聚方法能够有效地解决传统非线性有限元方法求解效率低的问题,本文所提模态截断准则的优点是适于求解模态密集问题并且与系统的输入输出无关。     

月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法

航天器结构的日益复杂和庞大为全系统级的动力学仿真带来了更大的困难和挑战,目前主要采用动态子结构法来提高分析求解效率,并解决不同设计部门之间的模型共享和技术保护问题。月球探测器软着陆阶段的冲击力学环境一般由加速度冲击响应谱描述,由于高阶振型对结构加速度响应的影响要比对位移响应的影响大得多,所以在小阻尼情况下,经典的基于模态的子结构方法在相同截断频率下对加速度响应的预测精度远低于位移响应。为解决这一问题,引进基于脉冲响应函数的时域子结构(IBS)方法,提出了一种适用于预测加速度响应的降阶形式的迭代求解格式。利用探测器着陆数值模拟试验中测得的缓冲机构作用力作为激励,分别采用固定界面模态综合(CB)法和IBS方法分析了月球探测器的加速度响应。数值算例表明,后者在计算精度和求解效率方面均高于前者,并说明基于脉冲响应函数的子结构方法适于对月球探测器加速度响应进行高精度快速预测。