我国探月工程技术发展综述

我国的探月工程,在2020年前分“绕、落、回”三步实施。本文以我国探月工程各次任务为脉络,针对目前已经完成的“嫦娥1号”“嫦娥2号”“嫦娥3号”及“嫦娥5号”高速再入试验任务,简述了工程和科学目标,介绍了实施效果,总结了主要技术成就。在此基础上,展望了探月工程未来的发展趋势,给出了月球后续任务的总体思路和框架。     

基于MDO方法的月球探测卫星总体设计

根据月球探测卫星任务及环境的特点,在将多学科设计优化(MDO)方法用于卫星总体概念阶段的设计。分析了卫星总体设计中轨道设计、卫星设计和发射选择间的耦合关系与协同效应,建立了MDO的简化模型。用单级整体优化策略(AAO)和多岛遗传算法(MIGA)进行优化。算例结果表明,MDO简化模型可有效解决卫星概念设计阶段中的多学科耦合。     

登月飞行器软着陆的非线性最优控制

主要考虑登月飞行器软着陆控制的问题。制导律和控制器的设计分两步完成。首先,利用一个微分同胚变换和一个非线性输入补偿,可以将登月飞行器的非线性动态模型转换成一个线性系统。然后利用经典最优控制理论中的由拉方程,标准最优制导律的解析解既可给出。第二步,利用日。控制理论,我们设计了一个最优反馈控制器保证了实际系统可以鲁棒渐进追踪最优标准轨道。最后通过仿真,可以看出飞行器实现了软着陆控制,着月速度小于给定值,说明方法的可行性和有效性。     

探月返回器跳跃式再入过载抑制算法研究

针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力,推导得出了与预测校正制导律相结合的过载抑制算法。最后通过仿真校验了该算法在不影响返回器着陆精度的前提下有效实现了过载抑制,各种偏差情况下的蒙特卡洛仿真也体现了该算法的实用性及鲁棒性。     

同波束VLBI技术用于月球双探测器精密定轨及重力场解算

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。
     

月面原位水资源获取技术与发展趋势

随着深空探测活动的持续推进, 月球探测已成为开展行星际探测的重要部分. 月球原位资源利用是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径, 中国已将月面原位水获取方法列为月球探测的关键技术之一. 月面原位水获取方法主要分为极区水冰勘探开采和月壤氢还原制水两种技术途径. 现有勘探到的水冰资源主要位于月球极区, 分布不均匀, 开采难度大. 目前研究提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方法, 但实际效果有待月面原位试验验证. 月壤加氢还原制水技术方法工作条件不受区域限制, 应用范围较广, 但仍存在反应条件要求高、能耗大等技术限制, 未来需在节能和有效矿物成分富集等方面有所突破.     

嫦娥五号探测器月面铲挖采样前后状态变化分析

为了深入研究月球演化历史以及太空环境对月球土壤的风化影响,需要定量分析月球表面物质与次表层物质的状态差异。研究提出一种依据彩色图像数据分析月壤状态差异的方法,利用嫦娥五号任务采样期间获取的月球表面铲挖前后的图像数据,分析了每次铲挖前后月球表面的图像灰度表现特性等特征,分析结果表明:月球次表层物质的平均反射率小于表面物质,全色谱段中的平均变化率为-24.71%;局部区域的月球表面次表层物质的平均反射特性基本一致,全色谱段中的平均变化率为-0.30%;月球表层颗粒形态与次表层颗粒形态可能不一致;月球表层颗粒与次表层颗粒组成和化学分子结构可能不一致。分析数据表明嫦娥五号采样位置铲挖前后的原态月壤和新鲜月壤存在明显状态差异,研究结果可为我国后续月球采样实施方案的改进提供基础数据。     

面向月球基地设备交互场景的目标检测与路径规划算法研究

随着国际月球科研站计划的快速推进,针对月球基地相关技术的研究受到了广泛关注。面向月球基地场景下不同的设备间进行自主接触式交互这一应用背景展开研究。考虑不同的设备在进行自主接触式交互时,需要准确地完成相互识别,并且规划出畅行无阻且较优的行进路线以保证往返活动顺利进行,基于Webots搭建了月球基地仿真环境进行目标检测和路径规划相关实验。以前后配备高精度RGB相机的交互设备为载体实现基于TPH-YOLOv5月球基地场景下的目标检测。此外,设计并实现了交互设备在月球基地场景下基于双向快速扩展随机树（Bidirectional RTT）的路径规划算法,以保证交互设备在月球基地环境下的相关工作顺利进行。仿真结果显示,该目标检测及路径规划算法能够实现预期功能。     

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。