Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission

This paper describes the scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first exploration mission to Mars. An orbiter, carrying a lander and a rover, lifted-off in July 2020 for a journey to Mars where it should arrive in February 2021. A suite of 13 scientific payloads, for in-situ and remote sensing, autonomously commanded by integrated payload controllers and mounted on the orbiter and the rover will study the magnetosphere and ionosphere of Mars and the relation with the solar wind, the atmosphere, surface and subsurface of the planet, looking at the topography, composition and structure and in particular for subsurface ice. The mission will also investigate Mars climate history. It is expected that Tianwen-1 will contribute significantly to advance our scientific knowledge of Mars.     

火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用，同时还将与火星表面航天器发生对流换热。热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响，从而确定主要的控温途径。在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上，从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响。器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围为0.3～1.4W/(m2·℃)，对流传热系数随风速变化为0.2～1.5W/(m2·℃)，器内导热传热系数可控制在0.25W/(m2·℃)以下。结果表明，太阳辐射较火星表面和天空辐射而言是主要外热源，航天器表面的辐射和对流换热为两条并联换热途径，两者均可成为主要换热途径，器内导热传热是控制航天器内外隔热的主要可控因素。     

一种主动悬架式火星车稳定裕度优化控制策略

针对火星车在非结构化环境下行驶存在的稳定性不足而导致倾覆的风险，提出针对一种六轮主动悬架式火星车的稳定裕度优化控制方法。首先，考虑了火星车悬架机构调整过程中车轮与接触地面滑移和侧倾等运动关系，建立和完善了六轮主动悬架式火星车行驶的运动学模型。然后，以火星车夹角调整机构角度为变量，推导火星车在非结构环境下的稳定裕度模型。之后，使用内点法求解火星车稳定裕度的最优解，并获得期望的夹角调整机构关节角度。在此基础上，对夹角调整机构的关节角度进行规划和控制，实现火星车悬架机构构型的调整，从而提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。最后，对火星车稳定裕度优化控制策略的有效性进行仿真验证，结果表明，所提出的控制方法可有效提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

大气环境对直升机旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰气动载荷计算的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)/自由尾迹耦合模型,为提高计算效率,提出了一种高效的耦合策略进行不同计算域间的信息交换策略。在此基础上,结合基于声类比法的FW-H方程构建了旋翼桨-涡干扰噪声的计算方法。应用所建立的方法,以OLS(Operational loads survey)旋翼为研究对象,深入分析了大气环境对旋翼噪声辐射特性的影响。研究发现:随着飞行高度的增加,旋翼噪声辐射特性发生了明显的改变,逐渐由桨盘前行侧转变为指向桨盘前方,噪声幅值先增大后减小。文中从桨-涡干扰距离、干扰位置变化角度计算分析了大气压力、音速及空气密度等环境参数对旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响,并得出了一些有实际意义的影响规律。     

火星车转移坡道柔顺性优化设计及动力学分析

对一种抽展式火星车转移坡道开展柔顺性优化设计和动力学分析。首先，分析火星车与存在异面角的坡道的挤压几何原理。然后，设计坡道的间隙机构和限位机构，并计算出机构关键设计参数的最优值，以自适应调整两侧坡道的距离，〖JP2〗减小火星车与坡道护栏之间的相互作用力。最后，对坡道下落过程和火星车在坡道上的行驶过程进行动力学仿真，验证坡道柔顺性优化设计的效果。结果表明：优化后的坡道柔顺性大幅提高，坡道可以自适应调整两侧的距离；使用优化后的坡道，可以有效降低火星车与坡道护栏的作用力，实现火星车在坡道上的安全行驶。     

火星大气进入段抗饱和固定时间阻力加速度跟踪制导律设计

研究了具有固定时间收敛特性的火星探测器大气进入段的标称轨迹跟踪制导问题。首先，针对横向运动，给出与速度成线性关系的航向误差漏斗走廊形式，完成了倾侧角的反号逻辑设计。与横程漏斗走廊反号逻辑相比，该逻辑计算量小，更适用于宇航计算机。与航向误差宽度走廊反号逻辑相比，该逻辑在高速状态下能够避免倾侧角的频繁切换，可提高任务成功的概率。其次，针对纵向运动，通过RBF神经网络补偿了倾侧角饱和问题，利用积分滑模设计了阻力加速度固定时间饱和跟踪制导律，其不仅可有效消除滑模控制的抖振问题，且将跟踪误差以两种不同形式引入制导律，能够加速收敛，能够保证跟踪误差在固定时间内快速收敛至0。最后，通过数值仿真验证了所设计的横向倾侧角切换逻辑和纵向制导律对标称轨迹的快速、精确跟踪能力。     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

月/火着陆制导方法与考虑不确定性的研究进展

上世纪六七十年代和21世纪后的两轮月/火探测热潮产出了丰硕成果,以Artemis计划、探月工程四期和火星采样返回为代表的新一批任务已拉开帷幕,站在这一特殊历史节点,对月/火着陆制导技术进行综述。首先,阐述了月/火着陆的物理过程,指出了未来复杂探测任务对制导技术的挑战。随后,鉴于轨迹优化这一技术分支近年取得的广泛发展,讨论了其与制导的联系。然后,回顾了月/火探测工程任务的技术遗产,包括多项式制导、动力显式制导、Apollo进入制导、预测校正制导以及凸规划制导。鉴于动力学与环境不确定性的挑战日益突出,讨论了来自人工智能、先进优化与控制等领域的潜在理论工具,能够为制导技术的发展提供新动力。最后,面向随时随地、高精度、高可靠、高自主着陆的制导技术发展需求,总结了后续研究方向。     

2A12-T4铝合金长期大气腐蚀损伤规律

在海南省万宁地区开展了2A12-T4铝合金暴露7年、12年和20年的大气腐蚀试验,根据腐蚀特征将腐蚀区域划分为单侧腐蚀区和双侧腐蚀区,以结构最小剩余厚度值作为腐蚀特征量,进行了不同年限试验件中不同腐蚀区域最小剩余厚度的测量和统计分析,确定了满足99.9%可靠度与95%置信度的最小剩余厚度值以及95%置信度下的最小剩余厚度置信区间,并开展了腐蚀损伤形貌的金相分析。研究结果表明:2A12-T4铝合金大气腐蚀特征量服从正态分布;在大气腐蚀7~20年间2A12-T4铝合金板件的最小剩余厚度值是线性减小的;2A12-T4铝合金大气腐蚀7年后处于点蚀、晶间腐蚀、剥蚀的过渡期,12年后发生全面剥蚀,20年后剥蚀已相当严重且伴随着点蚀;双侧腐蚀区与单侧腐蚀区相比腐蚀深度更大且剥蚀层剥落严重。