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。     

一类月面钻进采样机构的鲁棒控制

在月面复杂环境下采样机构模型会发生摄动,并会受到系统扰动影响,采样控制器的鲁棒性对顺利完成采样任务具有重要意义.针对回转与进尺复合式月面自动钻进采样机构建立名义控制模型,分析月面工作过程中的模型摄动、系统扰动下的控制系统模型,利用线性矩阵不等式方法进行状态反馈鲁棒控制律设计.仿真结果表明:在有界模型摄动、有界随机系统扰动情况下,系统具有鲁棒性,并对扰动具有抑制能力.     

月球着陆器软着陆稳定性关键影响因素分析

为了得到四腿悬架式着陆器软着陆稳定性判据及提高其软着陆稳定性,建立了软着陆过程动力学模型,在此基础上提出了软着陆稳定性相关判断准则,并于ADAM S中建立着陆器及月壤的参数化模型。通过软着陆动力学仿真,重点分析了着陆速度、月面倾角以及偏航角等参数对软着陆稳定性的影响。研究结果表明,采用对称模式着陆,竖直着陆速度不大于4 m/s,水平着陆速度不大于1 m/s,能够确保着陆器安全稳定地着陆,若沿月表斜坡着陆,尽量沿上坡方向着陆,且月表斜面坡度不宜大于10°。     

考虑热物性变化的月壤温度数值模拟

探月设备的热分析设计依赖于真实有效的月面热环境信息。借助于ANSYS热分析模块,建立了月壤导热系数随密度和温度变化、热容随温度变化的变热物性月壤温度求解模型,分别计算了月面纬度为26°和赤道地区的月表温度,探讨了赤道地区浅层月壤的温度分布。其中,月表温度计算结果与实测数据良好的一致性表明计算模型和所用计算参数适用可靠;而通过修正月壤导热系数来提高计算结果与实测数据的吻合程度则部分展示了月壤温度计算理论;在探讨赤道地区浅层月壤的温度分布时,文章给出了不同时刻对应的月壤温度剖面和热流剖面,并适度分析了月壤内部热流和导热系数对月壤温度剖面的影响,这些为利用月壤的温度剖面规律进行探月设备的热控设计提供了理论支持。     

月面环境三维激光SLAM技术

同步建图与定位（SLAM）可实现月球车在未知复杂月面环境下的定位与导航,月球表面由陨坑、石头等起伏地形构成,缺乏树木、建筑物等地面存有的显著特征,大量特征不显著的点云数据会对月球车定位精度和实时性造成影响。本文提出了一种针对月面环境的显著特征点云提取方法以及基于曲面定位能力估计的增量式优化算法,通过Fisher信息矩阵计算曲面定位能力指标,获取机器人位姿估计的不确定性测量,利用增量式的SLAM方案进行优化,用于提高定位精度与实时性。通过在Gazebo （物理仿真平台）仿真场景下的测试,验证了算法性能。     

月面巡视机器人快速安全路径规划

为提高月面巡视机器人自主探测任务的效率及安全性,提出了一种基于月面数字高程地图的大范围自主探测快速安全路径规划算法。首先根据获取的月面数字高程地图设计了一种地形可通过性分析方法,并生成了欧几里得距离地图（EDM）为安全路径规划提供参考。然后针对A^*算法解决月面巡视探测问题时搜索速度慢、未考虑路径安全性的问题,提出了FSA^*算法,改进了A^*算法的搜索机制以适用于月面大范围路径的快速搜索,并结合EDM地图设计了一种安全启发式函数,可使生成路径尽量远离危险区域,提高了巡视机器人自主探测过程的安全性。最后选取月球艾特肯盆地区域作为仿真场景,验证了该算法的有效性。     

模拟月尘对巡视器车轮轮轴材料的磨损试验研究

文章以CE-3巡视器车轮轮轴为研究对象,利用北京卫星环境工程研究所的月尘环境模拟器、摩擦磨损试验机以及自行研制的模拟月尘,对车轮轮轴主要材料进行了磨损试验研究。试验样品为轮轴常用的铝合金、聚四氟乙烯及轴承钢。文章分析了试验前后样品的表面形貌,采用测试系统获得了轮轴材料在不同试验条件下的摩擦系数曲线,采用电子天平测量了材料的质量损失;分析了真空、大气、有无月尘等试验条件以及材料本身在磨损试验中的效应。研究结果可为月面巡视器等月面应用设备的研制提供可借鉴的信息。     

空间粉尘探测器研究进展

文章在系统地总结空间粉尘（微小空间碎片和微流星体）探测技术的基础上,重点分析了压电型探测器、半导体型探测器、电离型探测器、组合式探测器等的工作原理、技术特点及其应用,同时简要评述了空间粉尘探测技术的发展趋势。     

宽频角振动地面模拟试验设备的研制

为了解并减小探月着陆系统之敏感器容易受到宽频角振动影响的任务风险,有必要进行宽频角振动地面模拟试验。文章首先提出了宽频角振动的振动转换结构和测量方法,在此基础上完成了试验设备的研制,之后针对探月着陆系统成像敏感器遭遇的角振动环境进行了地面模拟测试。测试结果表明:该试验设备的宽频角振动模拟频率范围为0~2000 Hz,控制精度达到±15%（2σ）,同时还可模拟包括平移和转动在内的着陆系统刚体运动。该设备已用于敏感器在角振动环境下的地面模拟试验验证。     

月球探测器定轨误差分量协方差分析

基于测量量的数学模型,推导环月探测器状态矢量的信息阵,建立定轨误差RTN分量的误差方程和协方差矩阵,给出了测距、测速、时延和时延率的测量误差对定轨误差RTN分量影响的数值关系。根据中国探月工程实际轨道测量数据精度和测站／基线分布情况,计算分析了2种环月轨道位置速度误差RTN分量的影响因素和误差水平。利用嫦娥-1、2月球探测器实际定轨结果,验证了分析方法的有效性。该方法对中国探月工程二期任务动力下降初始定轨误差RTN分量计算具有参考意义。