着陆工况对月球着陆器着陆缓冲性能影响分析

复杂的着陆工况对月球着陆器缓冲机构的工作可靠度影响很大。基于典型的四腿式月球着陆器建立月面着陆过程动力学仿真模型,构造了二阶响应面等效分析模型进行敏感度分析,分析了着陆工况各组成因子对着陆器缓冲机构缓冲性能的影响,发现对缓冲性能影响显著的工况因子有足垫与月面摩擦系数、竖直速度、沿z轴方向水平速度、等效月面坡度及绕y轴转角。通过蒙特卡洛模拟研究了工况因子取值对缓冲性能的影响,并通过贝叶斯公式计算了可控着陆工况因子不同取值时的缓冲可靠度。研究发现,采用光滑足垫及降低关闭发动机时着陆器距月面的高度可以提高着陆器的着陆缓冲可靠度。     

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。     

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。     

“嫦娥三号”成功登陆月球

“嫦娥三号”着陆器和“玉兔号”月球车成功着陆和巡视月球表面,实现了嫦娥工程的第二阶段目标,验证了一系列月球软着陆和环境适应技术。     

新一代载人月面着陆器发展趋势研究

月面着陆器是实现载人探月任务的重要组成部分,从任务规划和着陆器参数两个方面对早期美国阿波罗计划中的月面着陆器（ LM）、苏联N1-L3登月计划中的月面着陆器（ L3登月系统）以及最近美国星座计划中的月面着陆器（ Altair）的相关情况进行了分析,并从任务需求、月面环境和研究经费及基础设施方面对LM与Altair月面着陆器进行详细比较,通过比较分析总结出新一代载人月面着陆器将沿着提高乘员运送能力、扩大到达范围、延长航天员生活时间及功能模块化的方向发展,并提出研制新一代月面着陆器应着重解决着陆器推进、结构、着陆障碍检测及缓冲以及月尘防护等关键技术。     

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。     

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。     

载人月球探测器着陆缓冲机构构型方案研究

针对铝蜂窝缓冲器永久变形不利于探测器姿态调整的问题,提出了一种悬臂式着陆缓冲机构构型方案,采用丝杠滑块装置实现探测器姿态调整、着陆腿展开和收拢等功能,并开展了该机构参数设计和载荷分析。通过建立动力学模型,进行了着陆及姿态调整动力学仿真计算,验证了构型尺寸与载荷参数正确性。可为后续载人月球探测的着陆缓冲机构方案设计提供参考。     

求解最优月球软着陆轨道的隐式打靶法

基于间接法思想推导出一种隐式打靶法对月球软着陆轨道优化问题进行了研究。建立月球软着陆轨道归一化系统模型，利用庞特亚金极大值原理将月球软着陆轨道优化问题转化为满足最优必要条件的两点边值问题（TPBVP），采用一种新的时间变量使两点边值问题的终端时刻固定，同时将终端时刻看作状态变量并引入终端时刻的哈密尔顿函数值作为隐式终端条件，提出一种隐式打靶法对含有隐式终端条件的两点边值问题进行迭代求解，从而得出燃料消耗最优的月球软着陆轨道。仿真结果表明，与直接法和混合法相比，隐式打靶法优化精度高，收敛速度快，实现了月球软着陆过程燃料消耗最优。同时应用隐式打靶法求解不同发动机推力值的最优月球软着陆问题，得到燃料消耗最小的最优推重比，可为月面着陆器下降级发动机选型提供参考。     

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。     

基于仿真的月面着陆器上升级推进系统动态特性研究

针对月面着陆器上升级推进系统开关机响应、主要参数变化等动态特性问题,建立了推进系统的主要部件动力学模型与仿真模型,对典型的月面着陆器上升级推进系统工作过程开展了仿真研究。仿真结果表明,发动机工作过程仿真结果符合预期趋势,初步验证了利用AMESim软件进行推进系统性能仿真研究的可行性。     

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。     

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.     

一种用于月面着陆的知识辅助单脉冲前视成像方法

针对月面着陆过程中可能存在的着陆器倾斜而导致的结构损坏甚至颠覆等问题,提出了一种用于月面着陆的基于知识辅助的单脉冲前视成像方法。首先结合月面着陆器平台搭载的双通道雷达进行了理想情况下的单脉冲成像分析,然后分析了影响单脉冲成像性能的内在机理,并对雷达接收通道的不一致性进行了建模。在此基础上,将单脉冲成像问题转化为通道相位误差估计问题;结合天线方向图的先验信息,通过对实际天线方向图与理想方向图数据信息的对比,利用最小二乘方法估计出两者之间的相位差异,并求得改进的单脉冲测角曲线。最后对接收到的回波数据进行相位补偿,就可以获得高分辨的月面着陆区域单脉冲成像结果。地球机载实测数据处理结果表明此方法可以获得高分辨的前视成像结果,可应用在月面着陆过程中。     

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...     

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。     

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。     

月面低空飞行器着陆缓冲机构设计与仿真分析

针对月面低空飞行器要求兼顾着陆和越障缓冲的需求,将月球车轮式移动机构与磁流变缓冲器结合,设计了一种可重复使用的新型着陆缓冲机构。建立了飞行器整机动力学仿真模型,对月面着陆及不同越障工况下的移动探测进行了仿真分析,验证了该缓冲机构的着陆缓冲和平稳移动探测的性能。分析结果表明,该着陆缓冲机构能保证月面低空飞行器在月面安全着陆以及平稳移动探测,可为相关设计提供参考。     

月球巡视探测器自主定向算法研究

月球巡视探测器自主导航是其能在月面执行探测任务的关键,而定向又是月球巡视探测器自主导航的一个重要组成部分,其定向精度将直接影响到月球巡视探测器定位性能。将CCD(ChargeCoupleDevice)太阳敏感器应用到月球巡视探测器上,用太阳敏感器测量太阳位置矢量,结合加速度计测量的重力矢量,利用QUEST算法推算了月球巡视探测器的姿态和航向,为月球巡视探测器构建了一套适用于长时间、长距离导航的绝对定向方案,通过理论分析和实际推算描述了该定向方案的具体实现过程,最后以仿真结果验证了该方案的可行性,为下一步月球巡视探测器定位研究提供了技术参考。     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。