21世纪的航天(续)

航天事业在20世纪已取得显著进展和辉煌成就。21世纪即将来临。在21世纪,世界航天如何发展、将取得哪些重大成就,是人们关注的话题。为此,笔者根据有关材料汇编了这份材料,以供参考。共4讲,第一、二讲已刊登在本刊1998年第4期,下面为第三、四讲。     

模拟月壤钻进负载分析与试验研究

月壤与采样机具间的相互作用在月球自主采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,将切削刃前土体分为堆积区和破坏区,重点分析堆积区土体和破坏区土体对总钻头负载的贡献,建立了月壤取心钻头钻进松散土体的钻进负载模型。HIT 2型取心钻头和HIT\|LS1#模拟月壤的钻进试验结果表明,钻进负载理论模型与实际情况具有较高的吻合度。     

月球探测器着陆性能若干影响因素分析

软着陆缓冲装置是月球探测器的核心组成,对其着陆过程进行动力学分析 是着陆器设计的重要环节。论文以四腿悬架式着陆器为研究对象,首先在综合考虑月面非线 性变形、反推火箭残余应力、姿态控制力等基础上建立了探测器倾斜月面着陆过程动力学方 程。其次,研究了月面摩擦系数、月面着陆倾斜角度、反推火箭残余应力、着陆速度对探测 器着陆性能的影响。结果表明探测器着陆稳定性能伴随着月球表面土壤摩擦系数、月面倾斜 角度、着陆速度的升高而急速降低;探测器反推火箭残余应力虽能较大地减缓月面对着 陆器的冲击,但过大却容易导致探测器在月面反弹甚至翻滚。
     

月面回转钻进采样非脆弱鲁棒控制

回转钻进采样技术是实现月面采样任务的重要手段。回转采样机构在月面复杂环境下会发生模型摄动,并受到外部扰动的影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义。本文针对回转采样机构,分析了采样过程中的模型摄动、外部扰动影响,建立了采样机构状态空间模型,利用线性矩阵不等式方法设计了状态反馈非脆弱鲁棒控制器,仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,回转钻进采样控制系统内稳定,并对扰动具有抑制能力。     

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。     

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。     

基于进化策略的月球软着陆探测器轨道设计

应用进化策略和微分修正法建立了一套多约束、多目标条件下的月球软着陆轨道设计方法. 根据中国发射场和火箭运载的实际情况, 给出了软着陆轨道需要满足的过程约束及终端条件, 提出了利用进化策略进行轨道初步设计,通过微分修正法对初步设计结果进行修正的软着陆轨道设计思路, 并采用STK进行了仿真和结果验算. 分析表明, 基于进化策略的初步设计能够为微分修正提供良好的初值, 保证了其收敛性. STK仿真结果验证了设计思路的有效性及结果的正确性. 本文提出的方法能够为月球软着陆轨道设计提供参考.     

In situ Lunar Orientation Measurement (ILOM): Simulation of observation

The measurement of the rotation of the Moon is one of the key techniques to get the information of the internal structure. For this purpose, we proposed a small telescope experiment on the surface of the Moon in which motion of stars are utilized for the estimation of the rotation parameter. This paper describes results of simulation of observation, in which star trajectories observed are decomposed to librations, polar motion, and the precession and the amplitude and phase of each component are estimated. The standard deviation of the parameter estimation becomes nearly 1 ms of arc, which will be better than the Lunar Laser Ranging observation. From the viewpoints of accuracy of observation, thermal condition, and electric power generation, the instrument should be placed where the much sunshine is achieved on the lunar polar region.     

A conceptual configuration of the lunar base bioregenerative life support system including soil-like substrate for growing plants

The paper presents a conceptual configuration of the lunar base bioregenerative life support system (LBLSS), including soil-like substrate (SLS) for growing plants. SLS makes it possible to combine the processes of plant growth and the utilization of plant waste. Plants are to be grown on SLS on the basis of 20 kg of dry SLS mass or 100 kg of wet SLS mass per square meter. The substrate is to be delivered to the base ready-made as part of the plant growth subsystem. Food for the crew was provided by prestored stock 24% and by plant growing system 76%. Total dry weight of the food is 631 g per day (2800 kcal/day) for one crew member (CM). The list of candidate plants to be grown under lunar BLSS conditions included 14 species: wheat, rice, soybean, peanuts, sweet pepper, carrots, tomatoes, coriander, cole, lettuce, radish, squash, onion and garlic. From the prestored stock the crew consumed canned fish, iodinated salt, sugar, beef sauce and seafood sauce. Our calculations show that to provide one CM with plant food requires the area of 47.5 m². The balance of substance is achieved by the removal dehydrated urine 59 g, feces 31 g, food waste 50 g, SLS 134 g, and also waters 86 g from system and introduction food 236 g, liquid potassium soap 4 g and mineral salts 120 g into system daily. To reduce system setup time the first plants could be sowed and germinated to a certain age on the Earth.