美国火星表面探测使命述评（下）

从1975年8月发射（1976年7月着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到MSL＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

美国火星表面探测使命述评（上）

从1975年发射（1976年着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的＂好奇心＂火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

火星进入段自主导航技术研究现状与展望

基于国际上成功着陆的火星探测任务和未来火星着陆探测技术的发展需求,阐述了火星进入段自主导航的必要性。首先总结了火星进入段自主导航技术的研究现状与发展趋势,随后分析了火星进入段自主导航的特点以及所面临的挑战,并概括了火星进入段自主导航所涉及的关键技术。最后对我国未来火星探测任务进入段的自主导航技术发展方向进行了展望。     

火星精确着陆制导问题分析与展望

美国火星科学实验室(MSL)任务成功将“好奇”号火星车着陆到火星表面,开创了火星精确着陆探测的新局面。以MSL着陆任务为典型代表,分析了目前火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry, Descent and Landing, EDL）过程的制导方案及制导系统的发展趋势。以在火星高海拔、复杂地形区域定点着陆为潜在工程目标,归纳了火星EDL过程面临的制导主要问题。根据未来制导系统自主性和自适应性的技术需求及潜在工程任务制导面临的问题,提出了火星EDL制导方面需要解决的关键技术,并对其在未来工程中的应用潜力进行了展望。     

火星EDL导航、制导与控制方案综述与启示

进入、下降与着陆（EDL）导航、制导与控制(GNC)对于成功着陆火星起着决定性作用。首先详细地介绍了火星EDL的技术需求与GNC面临的挑战;然后系统地总结了国外历次成功火星任务的EDL导航、制导与控制方案;接着有针对性地梳理了我国现有航天工程任务中可加以利用的技术基础;最后,在对比分析已有技术的基础上,对我国未来的火星探测工程EDL导航、制导与控制技术研发给出了初步的建议。     

ExoMars 2016火星探测计划进入、减速、着陆的验证任务分析

对欧洲航天局(ESA)火星探测的ExoMars 2016计划进行了概述,着重分析了进入、减速、着陆验证任务的关键环节,详细分析了进入、减速、着陆验证的任务组成、任务目标、任务规划以及相关关键技术等。结合我国火星探测目前的技术状态,需要针对进入、减速、着陆各关键技术进行合理的规划,并适时开展相关的试验验证。首先完成整个火星探测进入、减速、着陆平台的验证与研制,再进一步开展深入的火星探测科学任务研究。文章所述内容和分析可为我国下一步开展火星等深空探测任务提供参考。     

火星探测进入、下降、着陆过程通信方案

基于火星探测任务进入、下降、着陆过程(Entry,Descent and Landing,EDL)的特点,从信号微弱、高多普勒动态和黑障通信等3方面提出了该过程中通信的主要技术难点;简述了国外成功完成火星表面软着陆探测任务——海盗号、"火星探路者"、"火星探测巡视器"、凤凰号、"火星科学实验室"EDL过程采用的通信方案,并在其基础上进行了归纳总结;详细介绍了EDL过程所采用的直接对地通信、中继通信方案组成、通信能力和关键单机等;论述了中继通信、信号调制、信道编码以及黑障分析、防护与减轻等通信关键技术及其工程现状。最后给出了对我国火星探测EDL过程通信技术方案设计的一些建议。     

火星探测器着陆技术

火星着陆技术是火星探测的关键技术之一。由于火星环境与地球有很大不同,要实现火星探测的软着陆仍具有非常大的挑战性。介绍了各种火星着陆技术方案,对气动减速、控制和着陆缓冲等关键技术进行了分析。     

火星环境对着陆探测任务的影响及设计考虑

火星着陆探测任务环节多、复杂度高、环境不确定性大,历史成功率低于50％.日前我国首次自主火星探测任务"天问一号"已取得圆满成功,在世界上首次一步实现"绕、落、巡"的火星探测.文章对火星着陆探测任务中考虑的火星环境要素及其量化条件的确定过程进行阐述,包括:探测器系统对环境条件的需求,基于此对火星空间环境、大气环境、表面环...     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求,阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等,归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上,结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标,梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术,分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后,对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

火星EDL导航、制导与控制技术综述与展望

以成功着陆火星探测器的导航、制导与控制系统为典型代表,系统地总结了火星E DL导航、制导与控制技术的历史与现状,对各种已有技术的优缺点进行了对比分析,并以未 来的火星采样返回、载人登陆和火星基地任务为潜在工程应用目标,对下一代高精度火星ED L导航、制导与控制技术进行了比较全面的分析和展望。

     

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。     

火星进入、下降与着陆技术的新进展——以“火星科学实验室”为例

文章以"火星科学实验室"为例,对火星进入、下降和着陆(EDL)技术的新进展进行了分析和总结。首先,简要介绍了"火星科学实验室"任务需求和遇到的技术挑战;然后,详细说明了相应的对策以及具体技术方案,并针对当前所遇到的问题,列举了一些可能的解决方法;最后,对"火星科学实验室"发展的新技术、新方法进行了总结。     

火星探测任务对环境模拟技术的需求展望

火星探测是深空探测的重点领域,任务特点决定了火星探测器发射前必须在地面进行各种验证试验。随着火星探测任务的持续深入开展将对环境模拟技术提出新的需求。文章在回顾了人类火星探测的历程之后,展望了未来火星探测任务的可能形式,分析了各种环境的地面模拟方法、试验技术所遇到的新挑战,并给出了建议。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法,并借鉴过载-时间控制法的相关思想,结合火星探测进入轨道的特点,研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件,采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析，提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法，并借鉴过载-时间控制法的相关思想，结合火星探测进入轨道的特点，研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件，采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。