月球低重力模拟设备位姿测控系统优化设计

为巡视器地面行走验证试验专门研制了月球低重力模拟设备。在验证试验中需要对巡视器的位姿进行测量,针对这一需求,文章提出了基于双相机的非接触测量方案,同时研制了相应的位姿测控系统,对其硬件和软件进行了优化设计。利用该位姿测控系统开展了巡视器的位姿测量,有效解决了位姿测量和控制过程中的问题。经充分测试验证,系统满足巡视器地面行走验证试验的要求。     

月面巡视探测器地面试验方法与技术综述

“嫦娥三号”任务的圆满完成标志着我国已经突破了软着陆、巡视勘察、月夜生存等一系列深空探测关键技术。由于任务目标以及月面环境的复杂性,对巡视器的地面试验验证工作提出了很高的要求。在研制过程中,不但开展了常规航天器必做的试验项目,还开展了大量的专项试验,充分的地面试验对确保任务的成功发挥了重要作用。文章对“嫦娥三号”巡视器的地面验证需求、验证试验要求、验证试验实施情况进行了分析和总结,主要包括低重力模拟、月表地形地貌模拟、工程模拟月壤的制备与整备、光照环境模拟、月尘模拟等方面,对深空探测器试验方法与技术的发展方向提出了建议。     

带射频电缆的可展开天线阵在轨展开动力学

空间存在射频电缆穿越可展开部件工作区域的情形,这会对部件的展开特性造成较大的影响(特别是无源可展开机构),甚至会影响整个航天器任务。文章以某卫星带有半刚性射频电缆的无源可展开天线阵为例,提出了其动力学建模仿真流程,并建立在轨展开动力学模型;采用该模型开展了在轨展开动力学特性的仿真研究,同时与在轨实测数据进行了比对。结果表明,仿真数据与在轨实测数据基本一致,准确地评估了射频电缆对可展开天线阵在轨展开特性的影响,仿真评估方法有效。该建模仿真流程同样适用于卫星其他类型可展开部件的展开特性研究。     

月球着陆器软着陆稳定性关键影响因素分析

为了得到四腿悬架式着陆器软着陆稳定性判据及提高其软着陆稳定性,建立了软着陆过程动力学模型,在此基础上提出了软着陆稳定性相关判断准则,并于ADAM S中建立着陆器及月壤的参数化模型。通过软着陆动力学仿真,重点分析了着陆速度、月面倾角以及偏航角等参数对软着陆稳定性的影响。研究结果表明,采用对称模式着陆,竖直着陆速度不大于4 m/s,水平着陆速度不大于1 m/s,能够确保着陆器安全稳定地着陆,若沿月表斜坡着陆,尽量沿上坡方向着陆,且月表斜面坡度不宜大于10°。     

考虑运动副间隙的剪式线性阵列可展结构动力学分析

为了精确研究剪式线性阵列可展结构的动力学性能,在该机构的运动副中引入间隙,通过含间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。基于Gonthier接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型分别计算了含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力。进一步把该接触力转换到间隙运动副所联接的杆件与滑块的质心处,并将其集成到剪式可展结构动力学模型的广义力中,从而成功地将关节间隙效应引入到可展结构中。采用一种新的违约校正法直接对系统的坐标和速度进行修正,避免了数值结果的发散并可确保将违约控制在给定的精度范围内。通过数值分析预测了运动副间隙对剪式线性阵列可展结构动力学性能的影响,为研究可展结构的运动精度和机构设计提供了参考和依据,拓展了间隙碰撞模型的应用范围,有利于工程实际应用。     

考虑热物性变化的月壤温度数值模拟

探月设备的热分析设计依赖于真实有效的月面热环境信息。借助于ANSYS热分析模块,建立了月壤导热系数随密度和温度变化、热容随温度变化的变热物性月壤温度求解模型,分别计算了月面纬度为26°和赤道地区的月表温度,探讨了赤道地区浅层月壤的温度分布。其中,月表温度计算结果与实测数据良好的一致性表明计算模型和所用计算参数适用可靠;而通过修正月壤导热系数来提高计算结果与实测数据的吻合程度则部分展示了月壤温度计算理论;在探讨赤道地区浅层月壤的温度分布时,文章给出了不同时刻对应的月壤温度剖面和热流剖面,并适度分析了月壤内部热流和导热系数对月壤温度剖面的影响,这些为利用月壤的温度剖面规律进行探月设备的热控设计提供了理论支持。     

地月转移自由返回轨道偏差传播分析

地月转移自由返回轨道的稳定性分析对载人登月任务轨道设计及中途修正策略规划有着重要意义。本文在地月会合坐标系下,推导了地月转移自由返回轨道的偏差传递方程,并基于标称轨道数据和解析方法,得到了轨道偏差随时间的扩散规律。研究结果表明:轨道偏差会随着时间推移逐渐增大,特别是在绕月飞行后,偏差量迅速增加,偏差累积将使飞行器无法返回地球。因此,工程实际中不存在严格意义上的自由返回轨道,飞行器在地月飞行过程中必须要进行中途修正。     

大型空间展开机构常压高低温环境模拟试验系统研制

为各类大型空间展开机构地面可靠性验证试验提供高低温环境,研制了一种常压高低温环境模拟试验系统。该系统的保温箱体结构采用内、外框架的结构形式,内、外框架之间的连接采用绝热玻璃纤维增强复合塑料杆,其目的是:在进行大温差高低温交变环境试验时,有助于结构的热边界条件稳定;合理的气流组织布局设计有助于内部高低温环境的快速建立,使温度分布更加均匀;冷热源供给系统可稳定地提供高低温环境建立所需冷量及热量;干燥氮气置换系统可实现高低温环境下的超低露点温度;基于PLC的测控系统对试验系统进行高精度测量及控制。试验表明,此大型空间展开机构常压高低温环境模拟试验系统能满足型号产品试验过程中对温度范围、变温速率、温度场均匀性及露点温度的要求。     

月面环境三维激光SLAM技术

同步建图与定位（SLAM）可实现月球车在未知复杂月面环境下的定位与导航,月球表面由陨坑、石头等起伏地形构成,缺乏树木、建筑物等地面存有的显著特征,大量特征不显著的点云数据会对月球车定位精度和实时性造成影响。本文提出了一种针对月面环境的显著特征点云提取方法以及基于曲面定位能力估计的增量式优化算法,通过Fisher信息矩阵计算曲面定位能力指标,获取机器人位姿估计的不确定性测量,利用增量式的SLAM方案进行优化,用于提高定位精度与实时性。通过在Gazebo （物理仿真平台）仿真场景下的测试,验证了算法性能。     

月面巡视机器人快速安全路径规划

为提高月面巡视机器人自主探测任务的效率及安全性,提出了一种基于月面数字高程地图的大范围自主探测快速安全路径规划算法。首先根据获取的月面数字高程地图设计了一种地形可通过性分析方法,并生成了欧几里得距离地图（EDM）为安全路径规划提供参考。然后针对A^*算法解决月面巡视探测问题时搜索速度慢、未考虑路径安全性的问题,提出了FSA^*算法,改进了A^*算法的搜索机制以适用于月面大范围路径的快速搜索,并结合EDM地图设计了一种安全启发式函数,可使生成路径尽量远离危险区域,提高了巡视机器人自主探测过程的安全性。最后选取月球艾特肯盆地区域作为仿真场景,验证了该算法的有效性。