基于改进鸽群算法的气动捕获轨道优化

针对火星探测器的气动捕获轨道，提出了一种改进的鸽群算法对气动捕获轨道进行优化。首先，考虑成功进行气动捕获所要求的终端约束和过程约束，根据从捕获轨道进行轨道转移进入目标轨道所需的速度增量，提出了进行捕获轨道优化的最优性能指标。然后，针对原始鸽群算法存在的一些不足，提出一种改进算法，并对改进算法的参数取值进行了分析。最后，基于大气内飞行的动力学方程，将气动捕获轨道优化问题转化为多参数优化问题，利用所提出的改进鸽群算法对气动捕获轨道进行优化，并通过仿真实例验证该算法的有效性。     

Exploration life support technology challenges for the Crew Exploration Vehicle and future human missions

As NASA implements the U.S. Space Exploration Policy, life support systems must be provided for an expanding sequence of exploration missions. NASA has implemented effective life support for Apollo, the Space Shuttle, and the International Space Station (ISS) and continues to develop advanced systems. This paper provides an overview of life support requirements, previously implemented systems, and new technologies being developed by the Exploration Life Support Project for the Orion Crew Exploration Vehicle (CEV) and Lunar Outpost and future Mars missions. The two contrasting practical approaches to providing space life support are (1) open loop direct supply of atmosphere, water, and food, and (2) physicochemical regeneration of air and water with direct supply of food. Open loop direct supply of air and water is cost effective for short missions, but recycling oxygen and water saves costly launch mass on longer missions. Because of the short CEV mission durations, the CEV life support system will be open loop as in Apollo and Space Shuttle. New life support technologies for CEV that address identified shortcomings of existing systems are discussed. Because both ISS and Lunar Outpost have a planned 10-year operational life, the Lunar Outpost life support system should be regenerative like that for ISS and it could utilize technologies similar to ISS. The Lunar Outpost life support system, however, should be extensively redesigned to reduce mass, power, and volume, to improve reliability and incorporate lessons learned, and to take advantage of technology advances over the last 20 years. The Lunar Outpost design could also take advantage of partial gravity and lunar resources.     

星际探测借力飞行轨道的混合设计方法研究

以金星借力探测火星为背景,针对传统借力飞行轨道设计方法中存在的问题,提出了 一种星际探测借力飞行轨道的混合设计方法。该方法在分析借力天体特性的基础上,采用等 高线图给出可能出现借力参数匹配的区域,提出“软匹配”策略进行轨道拼接,采用混合优 化设计方法得到轨道优化设计参数,有效地解决了传统方法对一些满足约束条件转移轨道方 案的遗漏问题。本文以2017-2018年金星借力探测火星为例给出了设计结果,设计参数与 M.Okutsu给出的一致,同时还得到了该参数区域一个新的借力轨道转移方案。此外,本文还 对2010-2018年采用金星借力探测火星的转移轨道进行了研究,给出了金星借力探测火星 较好的设计参数区域,这些研究对于未来可能的火星探测任务的设计与规划具有重要的参考 意义。
     

火星探测转移轨道中途修正分析

中途修正分析是深空探测任务设计的关键步骤。首先讨论火星探测中途修正速度增量的求解方法,并由此对多次修正问题进行了Monte Carlo仿真分析。为满足不同的计算需求,针对速度增量的求解问题,给出了精确算法和快速算法两种思路,并对二者的解算精度进行了对比。以2018年某火星探测轨道为例,根据设定误差,计算得出了各次修正速度增量和残余误差随修正时间变化的数据曲线,进而对修正时机的选择问题进行了讨论,并对5次修正策略进行了仿真分析。实验表明,Monte Carlo仿真数据能够直观地反映多次修正的基本规律,讨论结果可以为修正策略的制定提供一种思路和数据参考。
     

火星着陆器降落相机参数设计

分析了降落相机的功能及其功能扩展的必要性、工作过程,并根据这些功能变化和工作过程的变化设计了火星降落相机的帧频、积分时间等参数。文章对降落相机的功能分析、扩展以及工作过程分析和部分参数设计对于中国降落相机的研制有着一定的借鉴和促进作用。     

一种半解析方法火星再入探测器一体化设计模型

提出了一种火星再入探测器的半解析法一体化模型,为未来火星探测器的初步设计提供包括弹道、气动参数、防热系统在内的设计依据。在任务初步设计阶段,由于涉及多个学科,火星大气与地球大气模型差异很大,需要考虑的因素很多,因此需要一个半解析的,能够实时进行弹道、气动参数和防热层温度分布计算的设计工具。该工具应该包括气动外形、弹道、防热为一体的设计模型,且能满足计算负担要求。基于此,提出了一种普遍适应的火星探测器外形定义方程,并对其中的一种特殊情况进行了解析公式的推导。在合理假设的前提下,给出了计算防热层内部温度分布的半解析计算公式,并以MER\|B (Mars Exploration Rover)探测器为例进行了弹道和气动受热仿真。计算结果表明,该一体化计算模型的仿真计算落点与实际落点很接近,达到了火星探测器初步设计阶段一体化的计算要求。
     

地火转移轨道误差分析与第1次中途修正计算

针对地火转移过程中出现的各种误差,基于地火转移轨道的误差传递矩阵分析误差发散的性质,在此基础上讨论如何选取轨道中途修正的时机,并基于该矩阵对地火转移轨道第一次中途轨道修正的速度增量进行估算。与微分修正方法的严格计算结果的比较表明,基于该方法定性研究地火转移轨道第1次中途修正速度增量变化和选取合适的轨道机动时机是可行的。使用蒙特卡洛数值模拟对上述方法和微分修正方法进行计算和比较,结果表明,第1次中途修正速度增量大小差异不超过1.2m/s,相对误差不超过6%。在轨道控制精度大约为1m/s的情况下使用该方法代替微分修正方法进行计算,可以节省大量的计算时间。     

基于单星定位的火星着陆器初定位方法研究

针对火星探测中着陆器的初定位问题,提出了一种利用单个轨道环绕器为着陆器进行无线电定位的计算方法。首先根据投影法求解着陆器的位置初值,再使用最小二乘法,利用一段时间内的轨道器的位置及其与着陆器的距离数据,求解着陆器的经纬度。通过与卫星工具包(Satellite Tool Kit,STK)软件的计算结果比较,表明此方法是有效的。     

火星车绝对定位方法选择

针对火星巡视探测任务,提出3种火星车绝对定位方法:无线电测控定位、图像匹配定位、位置圆定位。无线电测控方法首先确定环绕器的轨道,然后利用环绕器和火星车的器间通信定位确定火星车的绝对位置;图像匹配方法利用着陆过程中的降落图像与带地理信息的着陆区地形图进行匹配,实现火星车的位置确定;位置圆方法通过敏感器在多个时刻测量阳光矢量方向和重力矢量方向,结合星历信息求解火星车的位置。对3种方法进行分析比较,根据定位精度、使用约束等因素,给出在轨使用建议:位置圆定位为基本方法,无线电测控定位作为校验手段,图像匹配定位作为修正手段,以满足火星车快速、高精度的定位需求。     

火星探测发展历程与未来展望

火星作为距地球最近的类地行星之一,火星探测是继月球探测之后深空探测的最大热点。在简要总结人类火星探测历程与未来发展趋势的基础上,对未来的火星探测规划任务及其面临的主要关键技术进行了重点论述,并给出了相应启示和发展展望;结合我国深空探测能力,并对中国后续开展火星探测活动提出了相关的建议。