蠕动掘进潜入式行星探测装置方案设计研究

针对在地外星体较大深度处长期地实施地质科学探测这一新的研究难题,运用无人自动潜入式探测原理,提出了蠕动掘进潜入式行星探测装置的设计方案,并重点对探测装置的机构设计开展了研究;成功研制出蠕动掘进潜入式探测装置试验样机及其性能测试平台,为蠕动掘进潜入式行星探测装置方案的可行性验证以及性能测试奠定技术基础。研制的蠕动掘进潜入式行星探测装置对我国未来的行星探测任务具有借鉴意义。     

载人小行星探测的总体方案设想

载人探测近地小行星的工程规模和技术难度介于载人探月和载人火星探测之间,是人类开展载人火星探测和飞向更遥远深空的跳板,对于航天技术的发展和科学问题的探索有着极其重要的意义。在调研国外载人小行星探测方案设想的基础上,结合我国航天技术现状和发展趋势,提出了一种载人小行星探测的总体方案设想,并梳理了载人小行星探测的关键技术。研究成果可以作为我国载人小行星探测任务论证和设计的有益参考。     

一种基于时标状态的启发式航天器任务规划算法

深空探测领域对实时性要求较高,在较短时间内找到规划解是深空探测自主任务规划中的一个要求,运用启发式规划算法是达到该要求的方法之一。而深空探测自主任务规划的另外一个特点是需要处理持续动作和数值信息。针对深空探测任务特点,采用规划领域定义语言PDDL,建立深空探测领域中知识模型,描述操作中遇到的时间与资源约束;随后应用以条件数为代价的启发式搜索方法对深空探测规划问题进行求解,并将其与TFD规划器中以动作时间为代价的上下文增强累加启发式搜索方法得到的结果进行对比,得出以条件数为代价的启发式搜索方法在搜索速度方面效果更佳,满足深空探测自主规划任务实时性要求。     

模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

我国探月三期需在月面真空环境下钻采2 m深的月壤样品,为测试采样器在真空热环境下的性能,需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境.本文设计了一套模拟月壤真空试验装置,研究了模拟月壤真空实现方法.通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空,分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况.此外,分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响,提出了保证样品密实度的可行抽气方法.该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值.      

基于人工势场法的月球表层采样装置避障规划

表层采样技术是获取地外天体土壤样品的重要手段,为在月表复杂地形、不确定着陆姿态、不规则器表包络约束下,快速获取安全的表层采样动态轨迹,文章根据四自由度表层采样装置设计,分析了工作过程中的正逆运动学关系;根据表层采样装置动、静态目标点运动要求,将约束空间分解为有效障碍检测区与不可达集,进行表层采样避障规划;为加快规划速度,针对表层采样装置瞬态构型构建了动态障碍检测区、动态不可达集;结合人工势场法提出了避障规划算法。对典型姿态下表层采样过程的避障规划仿真表明,该算法可实现约束条件下的表层采样轨迹规划,并对表层采样装置适应性设计提供支持。     

深空探测磁动力技术研究进展

开展深空探测对人类研究宇宙起源与发展、生命存在与进化等重大科学问题具有重要的意义。深空探测有很多关键技术有待突破,先进推进技术是其中最为重要的一个。而可用于深空探测的无需携带推进剂的磁动力推进技术,是利用太阳系和宇宙中广泛存在的等离子体流,使探测器所携带的低密度超导材料制作的线圈通电,在探测器周围形成一个磁场区域,通过该磁场与太阳风等离子流相互作用产生推动力的一种先进技术。文章介绍了磁动力技术的国内外发展现状、磁帆与等离子体流增强型磁帆的基本原理、技术特点以及在未来深空探测中的潜在应用,为我国未来深空探测任务的工程实施提供一种新的方法。     

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。     

电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化

针对电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法和遗传算法的混合优化算法。为了验证所提出的混合优化算法有效性,并考察任务起始时间和电动帆特征加速度对探测任务的影响,进行了一定数量的数值仿真。仿真结果表明：电动帆航天器自地球至谷神星的飞行时间随着起始时间的变化呈周期性波动,波动周期基本与地球和谷神星的会合周期一致;电动帆航天器的特征加速度越小,完成过渡所需要的飞行时间越长,且一个具有中等特征加速度的电动帆航天器便能在可接受的时间内完成自地球至谷神星的过渡;所提出的混合优化算法是有效的,能够在无任何初值猜测的情况下完成电动帆航天器飞行轨迹的优化。     

月尘累积特性测量技术研究与应用

月尘是月球环境对月球探测器影响中的一个重要因素。文章针对月表的自然环境和月尘累积特性分布机理,开展对月尘累积特性的测量技术研究,提出了采用黏性石英晶体微量天平(SQCM)和太阳电池短路电流两种测量方法,分别测量月表自然悬浮月尘的累积特性和着陆月表时扬起的月尘量,并在此基础上设计了月尘测量系统。该测量系统包括SQCM探头、太阳电池探头和电控箱,地面标定试验结果验证了其设计的可行性。此测量系统成功应用于嫦娥三号月球探测任务中,并实现了月尘累积特性的在轨原位测量。     

月球探测再入返回试验后续飞行方案研究

对于中国月球探测再入返回飞行试验的剩余推进剂,研究并设计了后续飞行方案。首先,基于月球探测再入返回飞行试验任务结束后的轨道和卫星状况,分析了可行的探测目标,确定了以日地月空间和相应平动点作为探测目标的后续飞行方案。其次,针对后续飞行方案中的轨道设计与控制需求,研究了平动点轨道直接转移入轨方法和不同系统的平动点轨道转移方法。相对于目前常见的基于不变流形的平动点转移轨道设计方法,文章方法无需进行大量的流形计算,因而计算步骤简单,计算量大大降低,尤其便于实际飞行任务应用。最后,设计了后续飞行方案的飞行轨道和相应的控制方案,同时分析了控制操作的地面测控条件。研究结果表明,基于月球探测再入返回飞行试验任务的剩余推进剂,完全可以在日地月空间开展多项具有创新性和重要应用价值的飞行试验验证,为我国后续"夸父"和月球探测等深空探测任务积累宝贵的测控技术和经验,同时为后续深空探测的"多目标多任务"设计思路提供有益借鉴。