月球探测器动力下降段最优轨迹参数化方法

为保证月球探测器进入姿态调整段时具有充分的高度与速度余量,本文提出一种基于控制变量参数化的月球探测器动力下降段最优轨迹求解方法。在三维探测器软着陆动力学模型基础上,将月球探测器软着陆制导律设计等效为燃料最优约束下的探测器俯仰角控制问题,利用控制变量参数化(Control Variables Parameterization, CVP)方法将该控制问题中的控制变量与约束条件转化为非线性规划问题求解,并引入时间尺度变换,将着陆时间序列加入待规划参数,进而求得满足精度的最优数值解。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的显式制导律相比,本文提出的参数化制导方法在动力下降段燃料更省,动力下降段的起始高度在±20%范围内波动时,仍能以高精度速度和高度指标完成末制导。     

小天体主动附着制导与控制技术研究进展

结合目前已实施的小天体附着探测任务,对小天体探测器主动附着涉及的制导与控制技术进行了系统性的回顾。首先,针对小天体附着任务风险高、不确定性强的特点,明确了主动附着的内涵,并分析了现有附着探测技术在自主性和安全性上面临的挑战,阐述了提高探测器主动附着能力的重要性。在此基础上,归纳梳理了与主动附着相关的制导与控制技术最新研究进展。最后,结合未来小天体探测任务需求,总结了今后具有进一步研究价值的几个问题。     

嫦娥五号探测器自主着陆视觉避障方法与评价

对嫦娥五号探测器的视觉自主避障系统组成、方案及原理进行介绍。采用光学粗避障加激光精避障的两级接力避障模式,在光学粗避障阶段利用K均值聚类对图像障碍进行分割,对分割结果采用Delaunay三角剖分,并设计安全系数评价方法选择安全落点;在激光精避障阶段提出概率模型评价点云所示区域的着陆安全性。对两级避障的在轨图像利用上述方法进行仿真分析,并对着陆区域的安全性进行评价。结果显示两级避障均合理有效。     

行星软着陆GPS有模型强化学习制导方法

由于距离地球较远、测控延时误差较大、飞行环境十分复杂且难以提前预测，行星软着陆的自主制导技术目前存在水平位置估计困难、导航参考信息匮乏、复杂地形着陆困难等挑战。针对行星软着陆存在的困难和挑战，提出了基于引导策略搜索算法的有模型强化学习制导方法，实现了着陆器在初始状态受到扰动时，无需重新规划，仍能在满足约束条件的情况下降落在指定位置。该方法将迭代线性二次调节器作为控制器，产生初始轨迹；其次，使用多层神经网络拟合制导策略；最后，利用控制器监督策略学习，进而收敛产生可行策略。针对行星表面软着陆的仿真验证结果显示该算法仅通过几次循环，即可以实现初始状态变化的快速软着陆。一方面表明了基于有模型强化学习的数据高效利用率，另一方面也证明了强化学习方法在深空探测领域中具有广阔的应用前景。     

Mars entry guidance using a semi-analytical method

Future Mars missions may require improved landed accuracy to facilitate the landing site selection and finally access a region of complex terrain with high scientific return. This paper is to develop a novel, robust, and precision entry guidance algorithm for Mars entry vehicles with low lift-to-drag ratios. In the presence of large uncertainties, the entry terminal point controller algorithm can encounter severe performance degradation due to: (1) the small perturbation assumption, and (2) theoretically ignoring deviations in the atmospheric-density model, aerodynamic-force model, etc. Based on numerical technologies and the classical variation method (VM), this work develops a semi-analytical (SA) algorithm, in which combined effects of several dynamic uncertainties now can be addressed. The terminal-downrange error is predicted by a numerical predictor such that the dependence on the reference trajectory can be reduced and then the issue caused by the small perturbation assumption can be addressed. Such a predicted terminal-downrange error is finally corrected by an analytical corrector, which is designed by the VM. It is indicative that there can be no numerical iterations in the SA algorithm. Numerical results demonstrate the effectiveness of the SA algorithm.     

Fuel-optimal and Energy-optimal guidance schemes for lunar soft landing at a desired location

Two guidance schemes (i) fuel-optimal (ii) energy-optimal to realize soft landing at a desired location on the moon are developed using the optimal control laws. The optimal control laws are obtained by solving a two-point boundary value problem formulated based on Pontryagin’s principle. The guidance laws, adapted from the optimal control laws, are obtained as a function of unknown co-state variables. Differential Transformation (DT) technique is employed to determine the unknown co-states at each time instant of landing trajectory using the information on the current vehicle state, target landing site (loaded on-board apriori) and the time-to-go. The numerical integration of co-state dynamics is avoided due to the DT based approach. The time-to-go, a critical parameter for any guidance scheme, is computed and updated real time using a simple strategy which uses the current and end states. The simple strategy for time-to-go works well even when the shape of the trajectory is nonlinear. Extensive analysis is carried out to evaluate and compare the proposed guidance schemes. Further, the proposed schemes are compared with other popular guidance schemes. The DT based proposed schemes help quantify the landing masses for fuel-optimal and energy-optimal objectives. Other features of the proposed schemes are that they do not assume constant gravity field and independent of reference trajectory.     

自动着舰的控制构型研究

在参考美军自动着舰系统(ACLS)的基础上,研究工程上最合适的ACLS控制构型。首先,分析了垂直速度指令和俯仰角指令在轨迹控制本质上的不同点和相同点;然后,将上述两种指令控制结构与两种动力补偿系统(速度保持APCS和迎角保持APCS)一对一组合成4种控制构型,仿真比较了这4种构型在指令响应、风扰抑制上的性能差异,分析了其物理原因。结果表明,H·指令加迎角保持APCS的控制构型对飞机纵向控制更有利,特别是对轨迹、高度要求严格的着舰任务。这与美军的实际试飞结论相同。     

脉冲发动机软隔离装置反向打开过程研究

通过显示动力学的方法,对一种软隔离装置反向打开过程进行了模拟,并通过燃气发生器-隔层试验装置,进一步验证了隔层的打开过程,模拟结果与试验结果吻合得较好,验证了计算方法的合理性。研究结果表明,脆性断裂准则可较准确地预测隔层的破坏位置和压强,同时在内压冲击载荷作用下隔层薄弱区域首先出现破裂,破裂后下隔层结构逐渐反向打开,最终端口发生严重破坏,研究结果可用于发动机隔层的初步设计。     

国外单组元变推力发动机应用与关键技术

介绍了国外单组元变推力发动机的应用现状,阐释了单组元变推力发动机的结构和设计原理,总结了研制和改进过程中的关键技术,主要包括径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术和催化床空穴控制技术等。美国为火星软着陆研制的MR-80和MR-80B无水肼单组元变推力发动机分别应用于“海盗”号和“好奇”号着陆器下降级推进系统。MR-80发动机可实现275~2835 N变推力调节,推力变比为10∶1,比冲为205 s,呈120°均布于“海盗”号着陆器三角形基座的长边。“好奇”号下降级推进系统由2个高压氦气瓶、3个推进剂贮箱、8台单组元变推力发动机、8台单组元250 N姿控发动机、1个压力控制组件和3个推进剂控制组件组成,MR-80B发动机可产生31~3603 N的真空推力,推力变比达到100∶1,比冲范围为204~223 s。     

基于紫外纳米压印光刻的氟化混合物模板制备

不同特征尺度和不同周期的氟化混合物软复制模板通过使用硅主模板和紫外纳米压印光刻技术制备而成。与聚二甲基硅氧烷和其它聚合物材料比较,此处使用的光刻胶拥有优良的性能,比如优良的机械强度,低表面能和良好的热稳定性。在紫外和热纳米压印工艺中,主模板被用作印章。实验结果表明,转移到基底上的图案与主模板非常一致。所制备的氟化混合物复制模板不仅仅适合紫外纳米压印,也适用于热纳米压印,并且所加工的复制模板还被用于制备光电器件以实现传感、成像、探测、通信和数据存储等领域中的相关功能。