Instrument study of the Lunar Dust eXplorer (LDX) for a lunar lander mission

One of the highest-priority issues for a future human or robotic lunar exploration is the lunar dust. This problem should be studied in depth in order to develop an environment model for a future lunar exploration. A future ESA lunar lander mission requires the measurement of dust transport phenomena above the lunar surface. Here, we describe an instrument design concept to measure slow and fast moving charged lunar dust which is based on the principle of charge induction. LDX has a low mass and measures the speed and trajectory of individual dust particles with sizes below one micrometer. Furthermore, LDX has an impact ionization target to monitor the interplanetary dust background. The sensor consists of three planes of segmented grid electrodes and each electrode is connected to an individual charge sensitive amplifier. Numerical signals were computed using the Coulomb software package. The LDX sensitive area is approximately 400 cm². Our simulations reveal trajectory uncertainties of better than 2° with an absolute position accuracy of better than 2 mm.     

应用改进果蝇优化算法的月面巡视器路径规划

文章针对果蝇优化算法易陷入局部最优的问题,对果蝇算法中的味道浓度判定值进行改进,并将其用于月球探测巡视器的动态路径规划。为验证算法的有效性,将改进果蝇优化算法与粒子群优化算法的路径规划寻优特性进行了仿真对比分析,结果表明改进果蝇优化算法具有良好的实时性,并有效解决了算法易陷入局部最优的问题。考虑到月球探测巡视器在沿规划路径进行月面巡视的过程中,有可能遇到未知障碍物的情况,提出了动态环境下月球巡视器遇到未知静态障碍物的避障策略。     

适用于月面高温环境的嫦娥三号地形地貌相机热设计

“嫦娥三号暠月面探测器上安装的地形地貌相机工作时直接暴露在月面高温环境下,受月表红外辐射影响很大,给热控设计带来很大难题。为解决设备工作时的高温问题,在外热流分析的基础上提出了以“最佳散热位置暠为核心的热控方案,设备处于“最佳散热位置暠时能够获得较好的初始温度和最快的降温速率;另外通过把散热面布置在月表红外辐射热流最小的位置并在除散热面以外的其他表面包覆多层隔热组件这两个措施,可以最大程度减小月表红外辐射的影响。地形地貌相机在轨开机工作前的各飞行阶段遥测数据均满足存储温度指标要求并且有较大余量;开机工作环拍一周的遥测数据满足工作温度指标要求并且与热分析结果符合较好,初始温度与遥测温度数据偏差为-1灡7曟,温升速率和降温速率偏差分别为14灡9%和16灡9%。这表明该热控方案正确可行,可为后续中国深空探测类似热控问题参考。     

双层结构月球的自由天平动与受迫天平动

根据JPL/NASA发布的月球行星历表DE430/LE430提供的月球物理参数,计算了月球主转动惯量;使用刚体月球转动微分方程获得的月球物理天平动解析关系式,计算了不同分层模型的月球自由天平动三个模式的频率及周期,比较并讨论了不同的解析结果;在此基础上,评估了月球受迫天平动一个模式的幅度。     

Investigating the soil removal characteristics of flexible tube coring method for lunar exploration

Compared with other technical solutions, sampling the planetary soil and returning it back to Earth may be the most direct method to seek the evidence of extraterrestrial life. To keep sample’s stratification for further analyzing, a novel sampling method called flexible tube coring has been adopted for China future lunar explorations. Given the uncertain physical properties of lunar regolith, proper drilling parameters should be adjusted immediately in piercing process. Otherwise, only a small amount of core could be sampled and overload drilling faults could occur correspondingly. Due to the fact that the removed soil is inevitably connected with the cored soil, soil removal characteristics may have a great influence on both drilling loads and coring results. To comprehend the soil removal characteristics, a non-contact measurement was proposed and verified to acquire the coring and removal results accurately. Herein, further more experiments in one homogenous lunar regolith simulant were conducted, revealing that there exists a sudden core failure during the sampling process and the final coring results are determined by the penetration per revolution index. Due to the core failure, both drilling loads and soil’s removal states are also affected thereby.     

一种成像敏感器对月定姿算法

成像敏感器根据月像来确定卫星对月姿态角。分析了月球光学系统成像模型以及卫星两轴姿态角与月像边缘曲线方程的关系，利用分析结果并结合月像边缘点的曲线拟合提出了一种新的卫星对月定向姿态确定方法。此算法克服了非零姿态月像边缘的非圆现象并且在部分月像下也可完成姿态确定，仿真工作显示了新算法的有效性。     

嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划

提出了一种基于SA *算法的嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划方法。建立了机械臂的正逆运动学模型,满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,并通过碰撞检测避免机械臂与环境和巡视器本体发生干涉;利用SA *算法在机械臂的工作空间进行搜索,在机械臂位形切换次数最少的优化条件下,实现了月面巡视器机械臂就位探测规划;通过月面巡视器在轨任务执行数据验证了基于SA *算法的月面巡视器机械臂就位探测任务的可行性。     

飞船跳跃式再入第一次再入能量管理方法

针对探月飞船跳跃式再入第一次再入能量管理问题,设计了一种能量管理方法。首先,采用大倾侧角再入,快速进入能量管理阶段;然后,对能量耗散速度进行控制,并预估跃起点的能量以确定飞船的跃起时机;最后,在能量管理结束后按设计指令过渡到跃起点。为检验能量管理方法的有效性及鲁棒性,基于标准轨迹法设计制导律,并进行仿真分析。仿真结果表明,该能量管理方法能改善轨迹跟踪性能,提高再入制导方法的精度和鲁棒性,并避免飞船在一次再入和二次再入过程中出现较大过载的现象。     

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和α_s特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。     

基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式（SST-HL/LL-Doppler-VLBI）对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷（激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等）和地面Doppler\|VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度（50~100 km）和星间距离（100±50 km）的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。