重复使用运载器制导与控制技术综述

本文对重复使用运载器制导与控制技术进行综述。随着航天技术的发展,对航天运载器重复使用的需求也日益剧增,具备可复用的天地往返运输能力也一直是航天工业追求的重要目标之一,而制导与控制将发挥重要的作用。首先回顾了全球范围内重复使用运载器的研究进展,随后从不同的维度对其发展途径进行分类和分析,并从垂直起飞垂直着陆（VTVL）、垂直起飞水平着陆（VTHL）、水平起飞水平着陆（HTHL）等3个方面对制导与控制的需求进行了梳理。针对不同的起降模式,详细构建了完整的制导与控制模型、约束与目标函数,从而对比在不同场景下制导与控制的特点和挑战。在此基础上,对在VTVL、VTHL、HTHL 3种工作方式下制导与控制理论研究与工程实践中所取得的研究成果进行分析,并对各种方法的特点进行了论述和比对。最后对本领域当前亟待突破的技术难点和发展趋势进行了讨论,并对推动重复使用运载器应用的重点研究方向进行了归纳和展望。     

小天体软着陆中的地面特征区域提取与跟踪算法

考虑到自主导航过程中的特征区域检测与跟踪问题,提出了一种新的跟踪算法。该算法是基于DIMES框架。首先,对在软着陆过程中拍摄的行星表面图像进行亮度均衡化,对处理后的图像进行二值化;然后,对二值化特征区域进行模板匹配找出高度相关位置点;最后,根据特征区域之间的几何关系确定特征区域的搜索范围,再分别提取这些相关点所代表区域的特征向量,并且与模板的特征向量进行相似性分析从而找到相似性最大的位置点。通过两组小行星表面图片进行分析验证得到了较好的效果。     

分段拓扑修形齿轮的成形磨削与试验

基于成形磨削的几何原理和机床运动学原理,提出了斜齿轮副的一种分段拓扑修形方法.通过改变齿顶和齿根处渐开线的发生线长度实现齿廓分段修形;给砂轮附加一个抛物线+直线的径向进给运动实现齿向分段修形.推导出基于成形磨削过程中拓扑修形齿面的计算公式,对修形齿面的边界进行了划分,建立成形磨齿机各伺服轴的运动方程.根据齿面的数值模拟结果,在五轴数控(CNC)成形磨齿机上进行磨削加工与在机拓扑测量,验证了成形法实现齿面拓扑修形的可行性. 对给定转速和负载工况下的齿轮箱进行加载试验,齿轮箱振动能量级幅值下降0.008dB,噪声减小约2dB.研究表明分段拓扑修形有利于降低齿轮传动振动和噪声.      

基于FA-NSGA分扭传动系统的均载和轻量化优化设计

以提高均载性能和轻量化为目标对某分扭传动系统进行了多目标优化设计.建立了分扭传动的非线性动力学模型,通过计算不同输入功率和输入转速下的均载系数,衡量分扭传动系统均载性能.以分扭传动系统参数为设计变量,考虑多工况条件,建立了以均载系数和质量最小为目标函数的多目标优化模型.为了提高计算效率,提出了具有适应值预测机制的非支配排序遗传算法（FA-NSGA）.利用3个基准函数对FA-NSGA进行收敛性和有效性的测试.结果表明:FA-NSGA对于3个测试函数均能获得满意的最优解,并且都能减少60%以上的真实适应值计算次数.采用FA-NSGA对实例进行优化求解,在得到的Pareto最优解中选取了一组满意的设计参数,该设计结果与参照方案相比均载系数降低了0.05,分扭传动系统质量减少了3.57kg.      

New trade tree for manned mars missions

Recent studies on human missions to Mars suggest revisiting the parameters that have the most important impact on the complexity, the initial mass in low Earth orbit, the risks and the development costs for the first journey to the red planet. In the last NASA reference mission, a trade tree is proposed.     

An innovative navigation scheme of powered descent phase for Mars pinpoint landing

Pinpoint landing (within 100 m from the target) is essential for future Mars exploration missions. This paper deals with one aspect of the pinpoint landing architecture—the navigation performance improvement during the powered descent phase, and proposes an innovative navigation scheme to obtain the vehicle complete and accurate states. On the basis of dead reckoning relying on the Inertial Measurement Unit, measurements of the Integrated Doppler Radar are adopted to correct the vehicle velocity and altitude. Distance between the vehicle and one Mars Orbiter as well as their line-of-sight relative velocity is measured by a radio sensor, and integrated in the filter to correct the vehicle horizontal position. The innovative navigation system is based on an Extend Kalman Filter. Two observation schemes are developed. One considers measurements of the Integrated Doppler Radar and radio range measurement. Another further considers radio velocity measurement. The performance of the innovative navigation scheme is greatly influenced by the position of the Mars Orbiter with respect to the target. Stochastic analyses are performed to obtain optimal locations of Mars Orbiter. Finally, the innovative navigation scheme performances are assessed through stochastic simulations. Its performance improvements are demonstrated by comparison with the Integrated Doppler Radar only navigation scheme.     

行星着陆探测中的动力学与控制研究进展

着陆探测是获取行星特性和科学数据最直接、最有效的途径,也是目前技术难度最大、最为复杂的探测方式。在行星着陆探测过程中,动力学与控制是影响任务成败的关键因素之一。文章首先分析了行星着陆探测动力学与控制研究所面临的挑战与难题;然后,针对火星和小行星的着陆探测,重点分析了火星着陆进入段和下降段所涉及的动力学与控制,小行星附着探测动力学建模与制导控制的研究现状与关键问题;最后,提出了我国在行星着陆探测动力学与控制领域的未来重点发展方向。     

航天器着陆碰撞动力学CUDA并行计算技术

航天器着陆接触碰撞过程中的瞬态响应计算,涉及到几何非线性、接触非线性和材料非线性,计算过程复杂,计算量大。为此,文章将统一计算架构(CUDA)技术应用到接触碰撞问题的并行显式积分计算,研究了质量矩阵和刚度矩阵的并行生成方法,并将基于中心差分法的求解过程并行化实施。仿真算例表明:并行算法计算结果准确,较大地提高了计算仿真分析的效率,可为航天器着陆过程中冲击动力学计算的快速和高精度实现奠定基础。     

基于碟形砂轮磨齿的面齿轮包络残差研究

介绍了采用碟形砂轮磨削面齿轮的原理及过程,研究了齿廓包络和齿宽包络两种包络方式产生包络残差的机理.分别建立了两种加工方式下包络残差的计算模型和方法,并研究了所产生包络残差的特点.通过数值算例分析了包络过程中刀具周向进给角度、齿宽方向进给量以及碟形砂轮外径对齿面包络残差的影响规律.计算结果表明:齿宽包络比齿廓包络具有更高的效率.进行了以齿廓包络方式的面齿轮磨齿加工实验,当刀具周向进给角度分别取为2°,1°,0.5°及0.2°时,齿面表面粗糙度逐渐明显提高,齿面磨削加工印痕的数目和方向与包络仿真计算结果一致.初步证明根据包络残差计算结果选取合适的进给量参数,可以保证面齿轮磨齿加工的表面粗糙度水平并能提高加工效率.