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.     

轻量化红外成像制导镜头设计与仿真

根据红外成像制导系统的轻量化、小型化、低成本发展需求，针对制导系统中的光学镜头进行轻量化设计。通过分析超透镜的波前调控原理和加工工艺，利用传输相位调控原理设计了基于硅和氟化钡材料的中红外波长超透镜，工作波长3 μm,镜头厚度小于1 mm，口径50 mm时重量小于10 g，热膨胀系数较低环境适应性好。利用时域有限差分法对超透镜进行了仿真，通过设置对称边界条件缩短了仿真时间。仿真结果表明，当超透镜数值孔径为0.45时，聚焦效率为85%，焦斑半高宽3.4 μm。     

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。     

空天飞行器返回滑翔段在线制导方法

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题，设计了一种新的滑翔段飞行剖面，实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足，减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式，获得了剩余航程和终端速度间的函数关系。在此基础上，提出了一种双层在线制导方法：内层解析重构飞行剖面，同时通过解析确定路径点来改变剩余航程的变化率，进而对终端交班速度进行控制；外层借助解析表达式，使用粒子群优化算法(PSO)和改进共轭梯度法(CGM)优化飞行剖面，从而满足过程约束和指标要求。最后通过数学仿真验证了方法的正确性。     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

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。     

虚拟多触角探测的高超声速滑翔飞行器再入机动制导

针对高超声速滑翔飞行器再入过程中面对的多约束问题，提出一种基于虚拟多触角探测的路航点规划机动制导策略。该机动制导策略通过飞行器最大转弯轨迹计算速度-剩余地面距离-航向角约束，在分段定点模式中发出多条粗略预测触角，引用触角末端反馈的信息计算优先级以确定临时路航点；同时在机动制导模式中发出精细探测触角，计算触角末端信息优先级，经倾侧角延时滤波器得出控制指令，对飞行器进行机动制导。基于多触角探测的路航点规划机动制导策略，降低了三触角机动制导方法中的计算时间；同时，4种典型禁飞区条件下的仿真结果表明，该策略能够有效稳定地解决机动制导过程中的多约束问题。     

利用视加速度补偿和推力逐级释放的垂直着陆制导方法

针对运载火箭子级垂直返回着陆段的制导问题，本文在应用凸优化的滚动时域在线规划基础上研究了制导鲁棒性的改善策略。为应对着陆后期控制能力不足的情况，在滚动规划过程中引入了推力上界逐级释放的策略。同时，考虑缓解干扰和误差累积的影响，在制导周期内引入视加速度信息对在线规划的推力指令进行补偿，以进一步改善滚动规划的递归可行性。最后，通过数值算例仿真及对比分析验证所提出的补偿策略的有效性。     

考虑捷联导引头最小视场角约束的制导策略

针对高超声速飞行器捷联导引头，提出导引头最小视场角（FOV）约束问题。首先分析了导引头视线角变化规律，指出在攻击固定目标时，导引头最小视场角约束在弹道末段无法被满足，导引头将丢失目标。在此基础上，基于缩短导引头丢失目标距离的目标，提出一种满足导引头最小视场角约束的制导策略。该策略不依赖于末制导律形式，当最小视场角约束无法被满足时，改变原有制导指令，主动改变弹道轨迹以增加弹体视线角，避免超出视场范围。其次，针对飞行器过载约束，设计了制导策略切换点，在到达切换点时该制导策略将结束工作，避免末端过载过大超出约束。通过对比仿真验证了所提出制导策略有效性，能够大幅度减少导引头丢失目标距离，工程上有利于提高末端命中精度。     

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。