首次月背着陆探测的“背后”——上海航天技术研究院“嫦娥”四号探测器研制任务侧记

<正>2018年12月8日,"长征"三号B运载火箭成功将"嫦娥"四号探测器送入地月转移轨道,踏上了人类首次月球背面着陆探测的旅程。"嫦娥"四号探测器包括两器一星,即月球软着陆探测器(着陆器)、月面巡视探测器(巡视器)、"鹊桥"中继卫星。上海航天技术研究院承担了"嫦娥"四号着陆器、巡视器5个半分系统的研制任务,包括巡视器移动分系统、结构与机构分系统、测控数传分系统、电源分系统、综合电子分系统移动/机构控制与驱动组件、着陆器一次电源分系统。     

月面地形地貌环境模拟初步研究

文章介绍了在月面巡视探测器室内试验场建设过程中有关月面典型地形地貌环境模拟的初步工作。通过现有关于真实月壤的物理机械性质的总结,考察了利用火山灰模拟月壤的可能性。通过对比分析两者主要的物理机械性质,可以得出:利用加工的火山灰模拟月壤用于月面巡视探测器移动性能等试验研究是可行的。为今后深入研究月面地形地貌和月面巡视探测器的地面试验进行了有益的尝试。     

月面巡视探测器关键技术分析

介绍了月面巡视探测器国内外的基本情况,分析了月面巡视探测器设计和研制的主要特点。并根据科学目标形成了月面巡视探测器的概念性设想,对月面巡视探测器的系统组成、工作程序与模式、有效载荷承载比例、工作寿命、移动范围、安全防护能力,以及集成化进行了初步设计。进而提出和分析了其主要关键技术。     

月面巡视探测器外场试验方法

首先对以Apollo月球车、MER火星车为代表的国外巡视探测器的研制试验进行调研,对它们的外场试验目的、试验工况的设置、外场选址的技术考虑进行了分析总结,认为外场试验对巡视探测器工作过程、遥操作过程的综合验证具有重要的意义,在实现对巡视探测器移动、导航能力考核的同时,还可以验证地面系统,训练操作人员;然后结合月面巡视探测器的任务特点,对其外场试验的目的和内容、外场选址要求、试验工况等进行研究;最后介绍了外场试验方法及任务规划试验、过夜停靠点试验、短距离移动探测试验、任务过程综合演练等4类试验的结果。     

月面数字地形构造方法研究

月面巡视探测器着陆区域的地形将对其产生重要的影响。文章对月面数字地形构造方法进行了研究。首先,对月面典型地形特征石块和撞击坑的分布规律和典型形状进行了分析。其次,说明了数字地形的生成流程。再次,先后利用两种方法确定石块和撞击坑的直径,在此基础上构建了数字地形。一种方法是根据巡视器的越障能力确定石块和撞击坑直径,该方法可在一定程度上满足巡视探测器移动性能试验需求;另一种方法是随机生成石块和撞击坑的直径,使生成的地形符合月面的实际情况,不仅可以应用于巡视探测器的移动性能试验,而且也可以应用于路径规划和着陆器着陆过程的模拟。     

火星移动智能体技术探讨

在火星表面巡视探测任务中,环境的复杂性、火地之间遥远的距离和探测器的安全性要求,决定了火星车必须具有较强的自主能力,自主实现环境感知、路径规划、科学探测、故障诊断等功能。移动智能体技术的发展和应用,为上述功能的更好实现提供了可能。文章通过对火星车自主能力的发展历程进行调研,结合当前我国巡视器技术的发展状况,从任务规划、能源管理、热控管理、通信管理等方面对火星移动智能体技术的应用需求进行了分析,提出了一种采用三层递阶式体系结构的解决方案框架,可为火星乃至其他地外天体移动智能体的技术实现提供参考。     

中国“玉兔”俏月宫——月球车漫画

月球车也称月面巡视探测器,是一种能够在月球表面自动移动,完成探测、采样、运载等任务的高度集成的航天器,也可以描述为能适应月球环境,携带科学仪器在月面进行巡视探测的月球探测器,是在月球上完成零距离科学探测任务的重要平台。     

国外星体表面巡视探测器地面试验方法分析

对国外星体表面巡视探测器的典型地面试验进行了系统阐述和分析,总结了星体表面巡视探测器地面试验的特点和规律,可以为我国星体表面巡视探测器地面试验的开展提供借鉴。     

嫦娥三号巡视器及其技术特点分析

嫦娥三号巡视器是我国月球探测二期工程探测器系统的重要组成部分,实现了我国首次地外天体表面巡视勘察。文章介绍了嫦娥三号巡视器的系统组成、构型及分系统方案要点;分析了月面移动、自主导航与遥操作控制、月面生存、地面试验模拟和系统资源约束等5个方面的技术特点和难点;给出了移动装置和车轮参数优化设计,天地协同操作控制,大温变热设计和自主光照唤醒,月尘和低重力等月面特殊环境模拟,系统集成与设计优化等工程解决措施。     

火星车坡道式转移机构方案设计与分析

针对火星车从一定高度的着陆平台转移至火星表面的需求,考虑转移机构对不同地形强适应性及火星探测器内部布局空间狭小的特点,提出一种双向可选展开的坡道式转移机构。该机构收拢布局设计适用于火星探测器气动外形,具有结构组成简单、可靠性高、对地形适应性好等优点。简化火星车着陆地形与转移机构,建立着陆地形因素、转移机构几何参数与转移姿态的数学模型。考虑地形角及局部地貌的影响,对坡道长度需求进行分析,得到满足火星车转移姿态要求下的最小坡道长度。该设计及分析可为火星着陆巡视任务中的转移机构设计提供参考。     

行星探测车被动摇臂悬架的研究与发展

悬架是行星探测车移动系统的关键部件,对其移动性能有直接影响。悬架设计是行星 探测车移动系统研究的重点和热点问题之一。被动摇臂悬架具有诸多优点,是目前行星探测 车移动系统广泛采用的一种悬架形式。对国内外行星探测车被动摇臂悬架的研究状 况进行了概述,对其优缺点进行了分析,对摇臂摆杆悬架进行了分类和详细介绍。最后,提 出了被动摇臂悬架设计要求,指出了其发展趋势,旨在为我国月球探测车悬架的开发提供借 鉴和启示。     

仿尺蠖型火星车设计与验证

针对传统被动悬架式火星车在火星复杂地形运动中可能存在的问题,设计了仿尺蠖型火星车,包括沉陷脱困设计、爬坡设计、防托底设计和抬轮设计;识别了仿尺蠖型火星车移动系统的关键参数,计算得到不同火星车抬升高度的关键参数值和一个尺蠖运动周期的位移值;计算结果表明仿尺蠖型火星车可以解决被动悬架式火星车的上述问题。对所设计的仿尺蠖型火星车开展了地面试验和飞行试验验证,地面试验验证了车轮沉陷脱困能力、越障能力和爬坡能力;作为仿尺蠖型火星车应用的实例,“祝融号”火星车成功经历了飞行试验,它在火星表面的顺利运行表明仿尺蠖型火星车设计措施有效。     

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。     

Design of a high performance suspension for lunar rover based on evolution

In this paper, we propose a new suspension for lunar rover called obverse and reverse four-linkage suspension (ORF-L suspension for short). Its two components are designed based on the evolutions of bogie and rocker. Firstly, we analyze the character of bogie and research the approach to improve its performance. Based on that research, an evolved mechanism of bogie is proposed, named obverse four-linkage. It has better capacity than bogie. In addition an evolved mechanism of rocker is also proposed, named reverse four-linkage. The bogie, rocker and their evolved mechanisms can compose four available suspensions including the interested ORF-L suspension. Because ORF-L suspension is composed of two evolved mechanisms, it has the highest performance. In order to check that, the performance comparison between ORF-L suspension and rocker-bogie suspension are carried out based on simulation. Finally, a prototype rover with ORF-L suspension is designed and manufactured. It shows excellent performance as expected.     

月面巡视探测器散热系统方案初步研究

文章利用计算模拟手段分析了月面巡视探测器可以采用的数种散热系统方案的散热能力,并通过比较得出了几种可行的和比较优化的散热系统方案,可为月面巡视探测器的热控设计提供依据。     

月面重力模拟系统恒拉力绳索的动力学研究

月面巡视器在未来探月工程中有非常重要的作用.月球重力场是影响月面巡视器运动性能的重要环境因素,需要对其进行地面模拟试验.文章基于绳索悬挂建立月面重力模拟系统,其关键是对恒拉力绳索进行建模和动力学分析.通过将绳索离散化为一系列集中质量的弹簧阻尼结构,得到多刚体系统来代替连续的弹性系统,用数值计算方法来研究绳索系统的动力学参数(如刚度和阻尼)对月面重力模拟系统的影响,来优化月面重力模拟系统.     

欧洲“火星快车”探测器自行底盘概念设计的启示

通过对月球车和火星车的跟踪调研,重点介绍了俄罗斯所承担的欧洲空间局“火星快车”项目中火星车自行底盘概念的设计思想和具体实施情况。结合火星表面的复杂环境,研制方探讨了几种底盘结构设计方案,通过对比分析确立了6×6×4+4ш方案为优化方案;根据该优化方案研制的比例模型样机通过行走试验验证,结果表明自行底盘概念设计思想正确,有助于提高行星车在复杂地形中的运动能力、稳定性和可靠性。最后针对我国深空探测项目实施的需求,提出了拟开展工作建议。     

一种基于UPF的月球车自主天文导航方法

介绍了月球车自主天文导航原理和传统的迭代解析高度差方法，提出了一种基于月球车运动模型和UPF（Unscented粒子滤波）的自主天文导航新方法。该方法仅需利用由星敏感器和惯性测量单元测量得到的恒星的天体高度，结合月球车的运动模型，通过UPF滤波，即可获得高精度的月球车实时位置信息。计算机仿真结果表明该方法与传统方法相比，定位精度有了大幅提高，同时对几个关键的精度影响因素的仿真分析显示该方法可以有效的减弱量测噪声，星历误差等对系统性能的影响，使系统具有更高的适应能力。     

基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法

研究了月球车逆运动学问题，即在月面数字地形图、月球车水平面坐标和航向角给定时，实时估计6轮摇臂转向架式月球车质心高度、位形（configuration）和姿态中的俯仰角和横滚角的问题。分析了6轮摇臂转向架式（rocker-bogie）月球车运动学模型，提出使用模糊逻辑结合虚拟传感器快速实时求解月球车逆运动学问题的新方法。此方法在月球车三维仿真平台中得到验证。实验结果表明此方法求解速度小于1／40s，同时保证月球车车轮到地面的距离小于0．02m。