行星车视觉导航与自主控制进展与展望

以视觉为主的行星车自主地形感知、导航、规划与控制系统是其安全高效探测的重要保障。本文通过对已成功开展和计划中的系列行星车任务导航与控制系统进行汇总，重点梳理了行星车多源地形感知、自主全局和局部导航、自主路径规划与控制等若干关键问题的进展情况，展望了未来自主化、智能化的发展趋势，并结合任务需求构建了行星车视觉导航与自主控制研究框架设想。     

Sulfur “concrete” for lunar applications – Sublimation concerns

Melting sulfur and mixing it with an aggregate to form “concrete” is commercially well established and constitutes a material that is particularly well-suited for use in corrosive environments. Discovery of the mineral troilite (FeS) on the moon poses the question of extracting the sulfur for use as a lunar construction material. This would be an attractive alternative to conventional concrete as it does not require water. However, the viability of sulfur concrete in a lunar environment, which is characterized by lack of an atmosphere and extreme temperatures, is not well understood. Here it is assumed that the lunar ore can be mined, refined, and the raw sulfur melded with appropriate lunar regolith to form, for example, bricks. This study evaluates pure sulfur and two sets of small sulfur concrete samples that have been prepared using JSC-1 lunar stimulant and SiO₂ powder as aggregate additions. Each set was subjected to extended periods in a vacuum environment to evaluate sublimation issues. Results from these experiments are presented and discussed within the context of the lunar environment.     

“天问一号”火星探测器关键任务系统设计

“天问一号”任务是我国行星探测的首次任务,在国际上首次通过一次任务实现了火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越.“天问一号”探测器由中国空间技术研究院负责抓总研制,包括环绕器和着陆巡视器两个组成部分.对“天问一号”探测器的任务特点和概貌进行了介绍,对包括飞行过程、远距离深空通信、火星捕获过程、火星进入下降及着陆过程、火星车解锁驶离和火面工作等关键环节的设计方案进行了描述,对“天问一号”所取得的技术成果与创新进行了总结.     

“嫦娥三号”巡视器热试验月面姿态模拟装置研制

月面巡视器在月表移动的过程中,月面起伏和月球(1/6)g重力会对巡视器的热控系统产生不利影响,因此需要在地面试验时对巡视器的热控系统的功能进行验证。文章通过对运动机构在真空低温环境下的适应性研究,研制了一套可以满足"嫦娥三号"巡视器真空热试验中使用的月表姿态模拟装置,该模拟装置通过2套螺旋升降机构实现了巡视器的俯仰和滚动模拟,并经过初样、正样热试验的2次大型试验的使用验证,圆满完成了试验任务,也为以后热试验中运动工装的设计奠定了基础。     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

Hybrid uncertainty-based design optimization and its application to hybrid rocket motors for manned lunar landing

Design reliability and robustness are getting increasingly important for the general design of aerospace systems with many inherently uncertain design parameters. This paper presents a hybrid uncertainty-based design optimization (UDO) method developed from probability theory and interval theory. Most of the uncertain design parameters which have sufficient information or experimental data are classified as random variables using probability theory, while the others are defined as interval variables with interval theory. Then a hybrid uncertainty analysis method based on Monte Carlo simulation and Taylor series interval analysis is developed to obtain the uncer-tainty propagation from the design parameters to system responses. Three design optimization strategies, including deterministic design optimization (DDO), probabilistic UDO and hybrid UDO, are applied to the conceptual design of a hybrid rocket motor (HRM) used as the ascent propulsion system in Apollo lunar module. By comparison, the hybrid UDO is a feasible method and can be effectively applied to the general design of aerospace systems.     

月球返回舱跳跃式再入弹道设计方法研究

不同于近地航天器返回地球,月球返回舱存在再入速度更高、大气和气动参数误差影响更大以及再入动力学耦合更强烈的特点。为缓解这些突出问题,降低月球返回舱所受到的冲击,对跳跃式再入弹道进行了研究,给出了跳跃式返回弹道的设计流程和算法,分析了不同再入角和航程约束下的弹道形态,并针对7 500 km航程可能出现的横向超调现象提出了3种解决方案。其中控制出口射面法引入了"预测-校正"思想,从根本上解决了自由飞行段可能出现的问题。数值仿真结果验证了弹道设计流程和算法的有效性。     

火星环绕器环火轨道的角动量管理方法

针对中国首次火星探测的任务需求和规划,结合环绕器质量特性和布局构型以及大椭圆轨道特性,分析了环绕器在环火飞行阶段所受的重力梯度力矩和光压力矩规律.空间干扰力矩累积导致飞轮转速上升,影响姿态机动能力,需要喷气卸载.为减少喷气卸载次数,在满足系统任务的基础上,设计了姿态偏置方案,利用光压力矩和重力梯度力矩相互抵消减少角动量...     

月球着陆器辐射器安装与散热关系分析

根据月球着陆器初步构型方案,辐射器可采取平行平坦月表安装和倾斜安装两种方式,安装方式不同时辐射器将面临不同的外热流环境。文章通过分析辐射器采取不同安装方式时的散热能力,对辐射器安装方式进行了优化设计。     

利用着陆器立体视觉对月面巡视探测器定位

在月面巡视探测器漫游过程中,需要测量月面巡视探测器的位置和姿态信息,以使巡视探测器行驶在规划好的路径上,并确保其安全。定位系统可以采取多种方式。在文章中,利用着陆器立体视觉系统对月面巡视探测器定位方法进行了研究,它采用立体视觉测量技术以及彩色图像分割的方法,进行跟踪测量月面巡视探测器位姿信息,能够对惯导系统加里程计的定位方法进行修正,减小月面巡视探测器的计算工作量。在定位方法的研究中,采用彩色图像分割方法对月面巡视探测器进行识别,能够适应变光照条件,并且运算速度快,达到实时图像伺服控制的目的。通过月面巡视探测器上制作特征点及采用基于四边形约束的特征点匹配方法,提高了图像匹配概率。通过卡尔曼滤波技术,能够满足任意时刻的月面巡视探测器定位要求。