火星着陆自主导航方案研究进展

火星着陆导航技术是火星着陆过程的核心技术之一。围绕火星着陆环境特点与导航技术遇到的挑战,分析了目前火星着陆过程的导航能力和自主导航的发展趋势,并针对火星着陆过程的特殊性和导航需求,概述了火星着陆过程各阶段自主导航方案的研究现状与进展。进而从导航方案设计与配置、导航模型建立与仿真、导航方案性能分析等方面,对自主导航方案的最新研究进展进行了分析,并在火星着陆全过程自主导航方案综合仿真的基础上,获得了满足火星定点着陆要求的各阶段交接点应满足的导航精度。最后,基于目前技术现状和发展趋势,提出了构建"递进式三阶段"火星着陆自主导航方案的设想,可为未来火星着陆自主导航方案的设计与论证提供参考。     

火星土壤物理力学特性分析

火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。     

重返火星急先锋“火星探路者”发射升空

因天气恶劣和计算机故障而两次推迟发射的“火星探路者”号飞船,于1996年12月4日凌晨在卡纳维拉尔角发射升空,开始了其5.56亿公里的火星征程。 “火星探路者”是继21年前“海盗”号完成火星探测以来第一个在火星上着陆的航天器。按计划,它将于1997年7月4日(美国独立日)登陆火星,同时释放一个带有6个轮子、重达10千克的名为“旅行者”的机器人     

备受青睐的火星探测——著名火星探测器一瞥

美国"双胞胎"寿命长 美国勇气号和机遇号火星车是一对一模一样的"双胞胎",各自长1.6米、宽2.3米、高1.5米,重174千克,大小与高尔夫球场的小车相似,于2003年6月10日和7月8日分别发射.它们主要完成的探测任务是判断火星上是否有过生物,明确火星气候特征,掌握火星地质特征;为人类探索打下基石.经过约半年的飞行,勇气号和机遇号分别在2004年的1月3日和24日经历了惊心动魄的6分钟降落过程之后在火星表面安全着陆.它们着陆方式采用与1997年在火星上着陆的"火星探路者"一样的弹跳方式.     

“探路者”造访火星

历时7个月、经过4.94亿千米的飞行,美国航宇局的“火星探路者”飞船终于到达目的地——火星。美国东部时间7月4日下午一时零七分,飞船在火星阿瑞斯平原顺利着陆,开始了人类有史以来最重要的火星考察活动。 着陆阿瑞斯平原 7月4日下午一点过后,以每小时2.66万千米速度在火星外层大气中运行的“火星探路者”飞船首     

“火星探路者”舱伞系统动力学特性仿真研究

目前,国内尚未对“火星探路者”减速下降过程中由“降落伞 后锥体 着陆器”组成的舱伞三体系统的动力学特性进行过相关研究。为了全面掌握“火星探路者”减速下降过程中舱伞系统的动力学特性,采用多体动力学的方法,建立了包括降落伞拉直、充气、全张满、抛防热大底,以及着陆器与后锥体分离等过程的全过程动力学模型,并利用模型仿真研究了“火星探路者”舱伞系统的动力学特性。研究结果表明,火星探测器舱伞系统的速度和姿态稳定所需的时间比地球环境下长、高度损失更大,进入舱纵轴需要较长的时间才能趋于垂直,系统摆角的摆动幅度较大。这些是火星探测器降落伞系统进行开伞点设计和时序设计时需要特别注意的问题,其结论可为中国开展火星探测器降落伞减速系统的设计提供重要参考。     

安全气囊:勇气、机遇的守护神

登陆火星是多学科结合的高科技复杂系统工程。行程4亿千米，携带的仪器以及为了安全着陆采取的一切措施教师必不可少的。其中安全软着陆是一个独立的保障系统，包含了许多在地球上进行科学考察难以遇到的困难问题。在积累了历次火星考察的大量资料后，1997年火星探路者成功实现软着陆，第一次采用独特的4组6     

登陆火星倒计时

按照设计,“火星极地登陆者”究竟怎样在火星极地表面着陆呢?让我们看看登陆器在火星表面着陆前5小时的倒计时运作过程吧!     

"极地登陆火星探测器"无影无踪

继1999年9月23日,美国"火星气候轨道器"在即将进入预定轨道前烧毁后,原定同年12月3日在火星着陆的"极地登陆火星探测器"也下落不明.美国航宇局2000年1月18日宣布,放弃寻找和回收"极地登陆火星探测器"的努力.至此,美国这一轮火星探测计划宣告彻底失败.     

火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究

针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求,提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)方案。针对大气进入前的高精度导航需求,提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法;针对火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的高精度绝对和相对导航需求,提出了基于陆标图像、IMU(Inertial Measurement Unit)和测距测速信息的多信息融合自主导航方法;针对精确定点着陆要求,设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明,提出的方案能够实现高精度的定点着陆(精度100 m)和相对避障(精度为0.5 m),可满足任务需求。     

火星表面高氯酸盐生物转化及原位制氧工艺技术

火星表面极端缺氧条件及广泛分布的高氯酸盐所形成的强氧化环境，对人类登陆探测及后续宜居环境建设构成直接威胁.根据对火星表面高氯酸盐分布的探测成果，地球上高氯酸盐生物降解研究进展，以及人类登陆火星对资源和环境的需求，提出了利用生物方法转化火星表面高氯酸盐进行原位制氧的设想与工艺，对其工艺过程、影响因素、关键技术与难点、行星保护与副产物资源化、后续火星环境改造等进行了前瞻性分析，有望在火星上同时实现高氯酸盐无害化处理与氧气原位制备，化害为益，为火星探测提供新思路与新方法.      

火星科学实验室着陆系统全过程GNC技术分析

基于经典火星探测任务的数据对比,以美国最近实施的火星着陆探测器"火星科学实验室"为例,对着陆全过程的导航、制导与控制(Guidance Navigation Control,GNC)系统情况进行了深入的分析和研究,对其中的关键技术进行了系统阐述。基于目前技术和发展方向,总结了典型的探测器着陆方式的研究现状,并对未来火星探测着陆段提出展望。可为中国火星以及其他行星的探测任务方案的设计与论证提供参考。     

天问一号火星进入舱热控系统设计与验证

天问一号火星进入舱携带祝融号火星车实施进入、下降、着陆过程,其热控系统设计主要面临地火转移外热流大幅变化、进入火星舱壁气动烧蚀长时高温、着陆发动机点火局部超高温等技术挑战。为此,综合采用隔热设计、等温化设计、主动控温设计等热控手段,针对外热流大幅变化应用了新型SAL-2热控涂层,为解决局部超高温问题研制了新型气凝胶热防护装置,完整构建了进入舱的高效可靠热控系统。飞行遥测数据表明,全飞行过程设备温度和热控功耗均优于指标要求,进入、下降、着陆过程工作设备温度范围5.0~40.3℃,整舱平均控温功耗不超过43W,验证了进入舱热控系统设计的有效性。     

MCAV/IMU integrated navigation for the powered descent phase of Mars EDL

Pin-point landing is considered as a key technology for future manned Mars landing and Mars base missions. The traditional inertial navigation system (INS) based guidance, navigation and control (GNC) mode used in the Mars entry, descent and landing (EDL) phase has no ability to achieve the precise and safe Mars landing, so novel EDL GNC methodologies should be investigated to meet this goal. This paper proposes the MCAV/IMU integrated navigation scheme for the powered descent phase of Mars EDL. The Miniature Coherent Altimeter and Velocimeter (MCAV) is adopted to correct the inertial bias and drift and improve the performance of integrated navigation. Altitude and velocity information derived from MCAV and the lander’s state information sensed by inertial measurement unit (IMU) are integrated in extended Kalman filter algorithm. The validity of the proposed navigation scheme is confirmed by computer simulation.     

火星尘埃与探测

火星表面尘埃与太阳辐射、热辐射的相互作用直接影响火星大气的结构、热平衡和动力学过程,并会产生改变火星表面反照率和火星地貌的长期效应.火星尘埃环境还对登陆于火星表面的着陆器能源系统和光学载荷等系统构成影响.为此需开展火星大气尘埃的直接就位探测.在介绍了火星的尘埃特性与主要探测方法基础上,提出了采用微质量计技术开展火星表面尘埃就位探测的综合探测器方案.探测器包含3种传感器.尘埃累积传感器通过设置其敏感晶体表面朝上,可以探测火星表面尘埃的沉积质量与速率;荷电尘埃传感器通过加置不同极性的偏置电压,可以探测荷正电尘埃和荷负电尘埃的累积特性;磁尘传感器通过在敏感晶体后加设小型永久磁铁,可以探测磁性尘埃的累积特性.传感器感测质量范围为10^-11~10^-4g.火星尘埃综合探测器可应用于未来的火星着陆探测计划.     

天问一号火星软着陆制导、导航与控制系统

天问一号火星探测器成功实现了我国首次火星表面软着陆，进入舱制导导航与控制系统(GNC系统)负责在火星进入下降着陆过程实施进入舱的姿态与轨道控制，确保进入舱安全着陆火星表面.介绍了执行天问一号火星EDL任务的GNC系统飞行阶段划分、系统组成、方案架构，以及针对火星EDL任务的特色设计，最后介绍了GNC系统在轨飞行结果.     

火星着陆探测任务关键环节技术途径分析

火星进入、下降与着陆技术(entry,descent and landing,EDL)是火星着陆探测最为关键的环节。火星与地球再入返回过程相比,由于火星大气成分、物理性质与地球大气存在较大差别,且具有较大不确定性,使火星EDL过程历经时间短、状态变化快,对减速性能要求高,时序紧张。从工程实现角度分阶段开展了任务分析,识别了火星EDL环节面临的问题和挑战,提出了关键环节技术途径选择。     

基于燃料最优解的火星精确着陆制导策略研究

针对火星着陆任务高实时性和低燃耗的需求,提出了一种新的基于开环燃料最优解的精确着陆制导策略。通过分析开环燃料最优解特性,设计了利用发动机推力幅值切换处的状态作为路径点结合最优线性制导律进行分段制导的制导策略,在无需存储全部燃料最优轨迹的前提下,实现具有近燃料最优特性的着陆任务,节省了大量的存储空间。同时详细讨论了包括全局燃料最优解获取、路径点提取、路径点拟合等一系列关键问题,并通过典型火星着陆场景的大量数学仿真验证了所提出策略的可行性和优越性。     

美国2020火星车着陆区遴选进展及对2020中国火星任务着陆探测部分的一些思考

总结了近20年来火星探测的重要发现以及生命、气候和地质3个方面尚未解决的关键科学问题;介绍了美国国家航空航天局(NASA)2020火星探测任务的科学目标、科学载荷和着陆区选择的工程条件限制,并重点分析了经过3次着陆区选择研讨会,上百位行星科学家投票选取的排名前3的预选着陆区的地质情况。在此基础上,提出了对我国2020年火星任务的着陆探测部分的一些思考,并根据不同的任务目标(聚焦生命、气候和地质问题;支持载人火星探测的资源勘察;工程技术验证)提出了3个候选着陆区。