美国火星表面探测使命述评（上）

从1975年发射（1976年着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的＂好奇心＂火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

大行星、月球和小天体环绕型探测器的轨道问题

针对环绕型探测器的轨道,以具有不同物理特征的大天体(金星、火星和月球等)为例,根据它们的质量大小(决定其引力作用范围的大小)、密度分布和形状特征(决定其非球形引力场的特征),具体阐述了它们各自环绕型探测器轨道的可能形式和不同的变化特征,另外介绍了小天体探测时的两种伴飞形式。关于环绕型探测器的轨道特征,如月球无大气,对其低轨探测器而言没有能量耗散影响,却同样有轨道寿命问题,而且由于其质量分布不均匀,这种现象还与轨道倾角有密切关系;而对火星的环绕型探测器而言,尽管有类似现象,但与轨道倾角的关系却大不相同。这些重要的轨道变化特征,可为深空探测中目标轨道的选择和设计提供依据。     

空间深空探测低温制冷技术的发展

深空探测技术已经被列入国家发展计划,由于空间环境的特殊性,对空间低温制冷技术提出了更高的要求。文章介绍了美国、日本和欧空局用于深空探测的深低温制冷技术的发展状况,包括超流氦制冷技术、多级机械制冷技术、吸附式制冷技术、绝热去磁制冷技术和氦稀释制冷技术,并介绍了在天文卫星和空间望远镜上的应用;综述了中国空间低温制冷技术的发展现状,提出了中国开展深低温制冷技术研究的启示和建议。     

未来的深空探测与空间环境模拟

文章介绍了国内外有代表性的深空探测计划的内容、特点和意义,包括:欧空局的Exo Mars火星车、美国"2020火星车"以及中国的2020火星探测计划;金星着陆探测进展情况;欧空局木星系统探测计划"木星冰月亮探索者(JUICE)"和美国的"木卫二飞越任务(Europa Clipper)";"蜻蜓号(Dragonfly)"土卫六探测项目;美国的"彗星天体生物学探索取样返回(CAESAR)"项目;月球探测计划等。还分析了未来深空探测对空间环境模拟的具体要求,空间环境模拟对推动深空探测发展的重要意义;提出了对我国未来开展空间环境模拟试验的建议。     

国外深空探测推进技术发展及启示

推进系统为探测器的飞行提供所需的控制力和控制力矩,一定程度上决定了探测器的规模、最远飞行距离,乃至任务的成败,是探测器的重要分系统之一。为满足不同的深空探测任务需求,国外发展了多种形式的推进技术,但总体上仍以化学推进为主,部分采用了电推进系统,并在发展高性能低温推进技术等。对国外典型探测器推进系统进行了叙述,分析了其技术特点和发展趋势,并分别针对无人探测和载人探测应用探讨了对我国开展深空探测推进技术研究的启示。     

Education and Public Outreach for Nasa’s Deep Impact Mission

The Deep Impact mission’s Education and Public Outreach (E/PO) program brings the principles of physics relating to the properties of matter, motions and forces and transfer of energy to school-aged and public audiences. Materials and information on the project web site convey the excitement of the mission, the principles of the process of scientific inquiry and science in a personal and social perspective. Members of the E/PO team and project scientists and engineers, share their experiences in public presentations and via interviews on the web. Programs and opportunities to observe the comet before, during and after impact contribute scientific data to the mission and engage audiences in the mission, which is truly an experiment.     

增量粒子滤波方法

提出增量粒子滤波的概念,建立增量粒子滤波模型及其分析方法,给出其算法.对于工程实际中存在的由未知系统误差的影响而无法精确建立量测似然函数的这一问题,提出增量粒子滤波方法,通过对带有未知系统误差的量测数据进行校正,获得精确的量测似然函数,建立精确的增量粒子滤波模型,从而消除这种未知系统误差的影响,减少重采样的次数,较好地保存了粒子的多样性,提高非线性滤波的精度.模拟仿真中,重采样的次数减少41.7%,滤波误差均值和均方根误差分别降低了45.3%和70.1%,有效地改善了滤波的效果.      

运用双重环境模型的移动机器人主动探测策略

针对移动机器人基于超声波传感器的地图创建,提出了一种双重环境模型。该模型同时包涵以直线段表示的几何模型和以概率形式表示的栅格模型,结合了几何模型与栅格模型的优点。给出了该模型的建立及更新算法,并基于该模型提出了一种主动探测策略,在保证探测效率的同时减小了超声波传感器的镜面反射产生的不良影响。在室内环境下进行移动机器人实验,验证了基于双重环境模型的探测策略的有效性。     

日地L1点探测任务设计与结果分析

日地L1点是太阳观测任务的理想观测点,对于中国后续太阳观测任务具有重要意义,因此在嫦娥五号的拓展任务阶段设计并实施了中国首次日地L1点探测任务,通过在轨飞行验证了日地L1点转移轨道、环绕轨道设计的正确性,对日地L1点的测控链路环境、太阳辐照环境、三体动力学环境、空间辐射环境等飞行环境进行了探测和验证。轨道飞行和各项环境探测的结果与设计模型的预示结果之间比对一致性较好,通过在轨飞行数据验证了设计模型的正确性。各项试验获得了预期的技术成果,进一步丰富了嫦娥五号任务的成果产出,对中国后续深空探测任务和产品的设计具有重要借鉴意义。     

基于脉冲初值的小推力转移轨道优化研究

针对小推力转移轨道优化过程往往忽略初值多样性的现状,研究了基于不同脉冲初值的小推力转移轨道优化问题。基于直接法的离散思想建立了小推力转移轨道优化模型,提出了基于粒子群和序列二次规划的组合优化算法,以地球1∶1共振近地小行星2016HO3交会任务为例,将3种典型的脉冲轨道作为初值设计了燃料最优小推力转移轨道。仿真结果表明:3种初值轨道优化得到了2个小推力转移发射窗口,两者燃料消耗差距不超过6%。不同的初值对小推力轨道的整体性能指标影响较小,但开关机时刻和推力方向的变化会产生较大差异,从而得到不同的最优控制曲线。