月球软着陆动力学分析与仿真

以4腿式月球探测器为研究对象,分析了探测器的部件结构与物理属性、月球物理环境等综合因素.在探测器动力学研究中,提出了一种基于结构的分块参数化仿真方法,分析探测器着陆时的受力,建立着陆腿与足垫等关键部件的动力学模型,利用简化探测器结构,综合各部分模型.结合虚拟现实可视化仿真技术,实现月球软着陆过程仿真.通过仿真反映出月面坡度与着陆速度、刚度系数与阻尼系数等初始条件对软着陆效果的影响,验证方法的有效性.该方法已成功应用于登月工程研究.     

月面重力模拟系统恒拉力绳索的动力学研究

月面巡视器在未来探月工程中有非常重要的作用.月球重力场是影响月面巡视器运动性能的重要环境因素,需要对其进行地面模拟试验.文章基于绳索悬挂建立月面重力模拟系统,其关键是对恒拉力绳索进行建模和动力学分析.通过将绳索离散化为一系列集中质量的弹簧阻尼结构,得到多刚体系统来代替连续的弹性系统,用数值计算方法来研究绳索系统的动力学参数(如刚度和阻尼)对月面重力模拟系统的影响,来优化月面重力模拟系统.     

基于粒子群优化算法的月面巡视器全局路径规划

在月面巡视器遥操作系统中,路径规划分为任务级路径规划、全局路径规划和局部路径规划。根据巡视器全局路径规划的应用要求,引入粒子群优化算法应用于全局导航点的规划。针对粒子群算法在路径规划中容易造成不收敛或病态收敛的问题,对算法进行了修改,去掉了速度更新中的速度惯性因子,只保留自身认识因子和社会认识因子,使其在全局路径规划中能够快速收敛;同时引入经典遗传算法中的变异因子以增强算法的全局优化能力。仿真结果表明该算法具有计算简单、全局寻优能力强等特点,能够快速地找到优化的全局导航点。同时在不同的模拟月面地形上进行仿真试验,针对存在的问题提出了对应的二次优化方法,结果表明该方法较好地满足了巡视器全局路径规划的应用需求。     

月球巡视器太阳电池阵电性能仿真模型

建立精准的太阳电池阵电性能仿真模型,可为月球巡视器电源设计方案以及在轨任务规划的验证和优化提供保障。文章依据巡视器设计及月面环境的特殊性,建立了考虑遮挡、月尘等因素的太阳电池阵电性能仿真模型。该模型包括布阵文件编写及导入模块,光强、温度、老化影响计算模块,月尘影响计算模块,以及部分遮挡影响计算模块。对仿真模型进行了仿真分析,并将仿真结果与硬件实测值进行比较,结果表明:两者之间的误差可控制在5%以内,证明了模型的正确性和精准度。     

基于热流密度仿真计算的曲面红外灯阵优化设计方法

文章主要针对形状复杂的月球探测器的热流模拟问题进行研究。基于遗传算法与复合形算法,采取双目标、变尺度网格的优化策略建立了红外灯阵热流优化设计方法。应用单灯热流分布计算模型生成单灯热流分布数据库,解决了反光板反射热流问题,在此基础上建立了红外灯阵热流分布仿真计算方法。结果表明热流分布仿真计算具有较高的准确度,速度快,能够满足优化设计的需要,可以有效提高热流分布均匀性。     

月球着陆器着陆缓冲性能研究

首先基于MSC.Nastran/MSC.Adams软件建立了模拟月球着陆器的动力学模型,并利用模拟月球着陆器在地面冲击试验来验证仿真模型的正确性,重点关注缓冲机构与结构连接处的载荷,结构特征点的加速度响应,以及缓冲器的工作行程。然后利用模拟着陆器地面试验结果修正动力学分析模型,研究表明：着陆器结构和缓冲机构的柔性对缓冲性能具有较大的影响。最后,把动力学分析模型中的模拟结构更换成真实结构,进行着陆器在月球表面的着陆冲击仿真分析,从而获得模拟着陆器地面试验与着陆器在月面着陆的冲击缓冲性能差异。     

直接再入大气的月球返回轨道设计研究

直接再入大气的月球返回轨道是月球采样返回任务普遍采用的飞行方案。文章将月-地转移轨道设计与再入大气仿真相结合,通过两级修正策略和落点匹配使月球返回轨道既满足再入界面约束又满足再入点地理位置约束。两条分别采用弹道式和弹道-升力式再入的月球返回轨道的计算结果表明,此方法是有效的。     

月面特征稀疏环境下的视觉惯性SLAM方法

月球车在执行科学探测任务过程中,其自身的高精度定位是一项亟需解决的关键问题。针对在特征稀疏的月面环境下的定位问题,提出一种视觉惯性融合的SLAM方法,将视觉测量与惯性传感器的信息利用位姿图优化方法融合,实现高精度的联合定位。针对特征稀疏环境下的前端视觉数据关联误差较大的问题,提出了一种基于四元树的光流跟踪算法,能够有效地跟踪鲁棒的特征点,提升了关键帧之间相对位姿估计的准确性。并且针对月面环境特有的恒星无穷远点干扰问题,提出一种高效的恒星点剔除算法,能够有效改善无穷远点导致的定位精度下降的问题。搭建了一套模拟月面环境的计算机仿真系统,并构建了多个月面环境视觉惯性SLAM仿真数据集,在不同的模拟月面场景下进行定位性能仿真验证,仿真测试结果表明本文算法的鲁棒性更强,具有更高的定位准确度。     

Experimental investigation on deformation behavior of TJ-1 lunar soil simulant subjected to principal stress rotation

The knowledge of mechanical properties of lunar soil is of fundamental importance for the coming exploration of the Moon. This paper aims to investigate the fundamental deformation behavior of lunar soil and the effects of the intermediate principal stress coefficient, deviatoric stress ratio, and mean stress during the principal stress rotation. First, an improved technique was proposed to generate homogeneous samples based on the Multi-layer Undercompaction Method. Second, three series of tests on TJ-1 lunar soil simulant under the principal stress rotation were performed with a hollow cylinder apparatus at Tongji University, China. In each series of tests, only one value of the three variables mentioned above was changed while the others were kept constant. The test results demonstrate that the rotation of principal stress can result in significant plastic deformation, volumetric strain, and non-coaxiality (non-coincidence of the increment direction of principal plastic strain with the principal stress direction) of TJ-1 lunar soil simulant. In addition, it is found that the intermediate principal stress coefficient, deviatoric stress ratio, and mean stress have different influences on the four strain components, i.e. _εz,_εr,_εθ${\epsilon }_z\text{,}{\epsilon }_{\text{r}}\text{,}{\epsilon }_{\theta }$ and _γzθ${\gamma }_{z\theta }$, volumetric strain, and non-coaxiality during the principal stress rotation. The influence of deviatoric stress ratio is relatively stronger than the others. Therefore, the influence of principal stress rotation on the deformation behavior of lunar soil should be taken into account carefully in the design and construction of facilities on the lunar surface in the future.     

月球返回再入着陆场位置选择限定因素分析

月球返回再入着陆场不仅影响月-地返回转移和返回再入飞行,同时也影响整个月球飞行任务的规划和设计.文章首先分析了航天器与地-月间的相对位置关系;结合月-地返回转移及返回再入轨道特性,理清了月球、地球着陆场和航天器三者在惯性空间内相对位置的内在约束关系;最后分析并通过仿真研究,明确了制约航天器返回再入着陆场位置选择的限定因...