小天体多节点着陆器强化学习任务规划方法

针对中国提出的小天体多节点着陆器节点运动强耦合,着陆规划过程复杂、执行易偏差、重新规划速度慢特点,提出一种多节点着陆器强化学习任务规划方法。该方法首先将状态空间规划逻辑模型描述为矩阵,利用模型矩阵将任务规划建模为马尔科夫过程,之后通过状态哈希的广度优先搜索算法筛选随机生成状态,生成有效多节点着陆器状态空间始末状态,构建虚拟状态空间训练环境,随机切换始末状态训练强化学习智能体,提升节点的规划适应能力,实现多种条件下的任务规划。对着陆任务进行仿真,实验表明训练后智能体成功完成所有测试任务,且规划效率比POPF3规划器更高,在方案频繁调整的短序列任务上规划速度优势更大,可以更好地应用于多节点着陆器的任务规划。

小天体柔性着陆器姿轨耦合智能控制

针对小天体复杂摄动环境以及着陆器柔性变形作用力建模不准确对小天体着陆造成的不利影响,提出一种基于最大熵强化学习的柔性小天体着陆器姿轨耦合智能控制方法。建立考虑柔性变形作用力等效轨道的动力学模型,并采用基准面法表征具有复杂形变特点的柔性着陆器姿态,从而构建用于智能控制器训练的姿轨耦合动力学环境。根据最大熵强化学习理论的软动作−评价(Soft Actor-Critic,SAC)算法,设计了采用深度神经网络架构的姿轨耦合智能控制器,各个推力器通过自适应输出推力,在保持着陆器姿态稳定的同时高精度跟踪导航轨迹。对控制器部署实际任务后的着陆过程进行了仿真,结果表明,与经典的PD控制方法相比,提出的姿轨耦合智能控制方法具有更强的鲁棒性。

IM公司奥德修斯号月面着陆器任务浅析

针对M公司的Nova-C级月面着陆器奥德修斯号开展了分析,从整器构型、飞行过程、载荷配置、任务评价4个方面进行了介绍,并对此次任务中遇到的故障以及处置措施进行了梳理,剖析了商业航天的特征,最后总结了商业航天运营模式对于我国航天事业发展的启示,以及本次飞行任务中的亮点和故障情况对我国月球探测任务的启示,并给出了几点思考与建议。

履带行走式深海着陆器结构设计与行走性能仿真分析

针对深海软底质对深海着陆行走设备结构设计和行走性能的应用要求,综合多个因素采用履带底盘作为移动式深海着陆器的动力底盘。根据中国大洋软底质泥层原位测试的相关数据设计深海着陆器的动力底盘参数及整体结构,采用三维建模软件SolidWorks与多体动力学软件RecurDyn结合的方式建造整机的多体动力学模型。开展了深海软底质特殊力学载荷下自适应行走式深海着陆器的多种行走工况的仿真,分析了自适应行走式深海着陆器的行走性能,为移动式深海探测设备的结构设计及优化、行走控制、行走性能评价等研究奠定了基础。

载人月面着陆器中途分离模式下降着陆策略优化研究

针对中途分离模式的载人月面着陆器的下降与着陆过程,提出了减少登月舱推进剂消耗为目标的下降着陆策略优化方法。通过分析下降着陆过程中两舱落点安全约束、应急飞行安全约束以及推进舱推进剂耗尽约束,建立了优化模型,提出了下降着陆轨迹的设计流程。该方法通过迭代求解最优动力下降初始高度和两舱分离高度,充分利用推进舱剩余推进剂的同时,减少了登月舱推进剂消耗。仿真结果表明:该策略优化方法能够有效节约推进剂,揭示了受安全约束影响时动力下降初始高度与两舱分离高度、登月舱定点软着陆段推进剂消耗之间的关系。

可行走着陆器的牛顿-欧拉法动力学研究

基于一种具有串并联混合腿足机构的四足可行走着陆器,为摸清其行走过程中的关节能耗问题,采用牛顿-欧拉方法进行了动力学建模研究。首先,采用D-H法建立串并联混合腿足机构的关节坐标系,进行正向运动学和逆向运动学的推导;然后在运动学模型的基础上,采用牛顿-欧拉方法建立着陆器整机的全状态动力学模型,该模型以足端相对轨迹为输入,获取着陆器在运动过程中各关节受力情况的变化曲线;最后,采用五次样条插值法规划一段运动轨迹,用ADAMS仿真软件进行着陆器虚拟样机仿真。经验证,该动力学模型理论计算数值和虚拟样机仿真数值具有相同的变化趋势,证明了模型的有效性,可以作为后续能耗模型建立和优化的基础。

多节点柔性着陆器非一致约束处理

针对新型多节点柔性着陆器协同下降轨迹规划非一致约束的问题,提出了一种基于控制障碍函数的分布式优化方法,仅需要节点间的相对距离信息即可求解出各节点无冲突下降的轨迹。通过两种典型的多节点柔性着陆器协同下降场景仿真,论证了所提方法的有效性。为解决多节点柔性着陆器的非一致约束问题提供了一种新思路。

载人月面着陆器飞行策略优化研究

载人月面着陆器主要负责航天员和探测载荷在环月轨道和月面之间的往返运输,速度增量需求高达5000 m/s,主要设计难点在于推进剂和平台干重的质量控制,实现任务效益的最大化。以整器全任务剖面推进剂使用量控制为目标,在总体层面系统性地提出了飞行策略优化思路,包括基于最低发射窗口的地月转移设计、基于轨道摄动的环月设计、基于两舱均衡消耗的环月降轨设计、基于中途分离的动力下降设计、基于最佳推重比的月面上升设计、基于快速自主的月轨交会对接设计6方面的正常飞行策略,以及基于物资抛分的异面上升设计、基于兰伯特变轨的应急交会策略、基于PRA的多重故障应对策略3方面的应急飞行策略,为载人月面着陆器飞行任务规划和轨道设计提供借鉴和参考。

首个商业月球着陆器坠毁

又一个着陆器可能在月球坠毁了。日本私营月球机器人探索公司i Space于2022年12月发射的月球着陆器“白兔-R”原定于2023年4月25日登陆月球。如果成功,它将完成第一个商业登月任务。但就像之前的一次尝试一样,它坠毁了。2 0 1 9年,以色列非营利组织SpaceIL试图发射其“创世纪”号航天器进行类似的月球着陆,但由于部分发动机发生故障,航天器最终在月球表面坠毁。

日本小型月球着陆器系统设计

“月球研究智慧着陆器”(Smart Lander for Investigating Moon,SLIM)是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的小型月球着陆器,计划于2023年8月使用“艾普西龙”运载火箭发射。SLIM是一项以月球高精度着陆及小型轻量化为目标的计划。本文在详细介绍SLIM的基础上,着重探讨了该航天器面向低资源优化的系统研发。

SLIM:标新立异的小型月球着陆器

北京时间9月7日8点42分,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)在种子岛航天发射场,用H-2A火箭将该机构研制的XRISM望远镜(全称为"X射线光谱成像任务),以及日本的又一个月球着陆器一SLIM着陆器(全称为“探月智能着陆器”)发射升空。JAXA原计划使用埃普西隆固体火箭来单独发射SLIM,但是由于XRISM望远镜的研发遇到困难,经费紧张,因此在2017年JAXA决定让SLIM着陆器与XRISM望远镜共同搭乘H-2A火箭,以节省经费来补贴XRISM望远镜和其他卫星的研发费用。

月球着陆器新结构的ADAMS仿真研究

为了解决月球着陆器等航天飞行器类产品研制和试验费用十分昂贵的问题,提出并试验了月球着陆器机械结构仿真研究方法.采用ADAMS动力学仿真软件,对月球着陆器3种典型结构进行了动力学建模、优化及在月球重力场下着陆缓冲等仿真研究.以冲击隔离系数的大小为具体评价指标,对月球着陆器3种典型结构缓冲性能进行了评价.结果表明斜腿式两级缓冲月球着陆器新结构缓冲效果最好.

月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究

金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件首次用在月球着陆器原理样机中。采用Э 71型低温万能拉伸实验机对圆环状金属橡胶试件进行了月球温度范围内的准静态刚度实验,得出了力 位移实验曲线。采用最小二乘法对试验曲线进行了数据拟合,用Matlab编程计算得出了金属橡胶试件力 位移回归方程。采用自由衰减法和冲击实验法分别对金属橡胶试件高、低温阻尼比和动力学特性进行了测试,最后得出了金属橡胶适合于用做月球着陆器中缓冲元件的结论。

微小型月球着陆器冲击隔离着陆腿研究

针对微小型月球着陆器存在的着陆腿阻尼材料易发生真空冷焊和阻尼值不能改变的问题,对国外已有的着陆器结构和缓冲阻尼材料进行了详细分析。在三腿结构着陆器的基础上,应用电磁学和振动力学基本理论并结合外太空的环境特点,设计出非接触式可调阻尼的感应磁阻尼着陆腿新结构。给出着陆腿的振动微分方程,并采用ADAMS软件进行了数字仿真,结果表明,该新型着陆腿阻尼值调整方便、有效。

腿式着陆器缓冲材料缓冲特性及其表征方法研究

为了研究适合腿式着陆器用缓冲器的缓冲材料,对8种不同规格的薄壁铝管,3种不同规格的铝蜂窝及4种不同规格的泡沫铝在准静态及冲击载荷作用下的压缩特性进行了试验研究,并得出了其相应的应力/能量-应变曲线图。通过对缓冲材料的应力-应变曲线图及压缩特性进行系统的研究分析,得到了5类缓冲材料缓冲特性的表征方法,这些表征方法可以全面地对不同缓冲材料的缓冲特性进行评价,以便指导腿式着陆器用缓冲器的设计。最后结合所提出的缓冲材料缓冲特性的表征方法,对所试验的薄壁铝管、铝蜂窝及泡沫铝这3类不同的缓冲材料的缓冲特性进行了总结,并得到了粗孔的名义压缩强度为0.14～0.15MPa的泡沫铝为在所试验的缓冲材料中,是最理想的腿式着陆器用缓冲材料。

基于刚柔耦合模型的月球着陆器动力学分析

基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.

着陆器足垫垂直冲击模型试验研究

着陆器着陆过程中会产生巨大的冲击作用,影响其内部精密仪器的正常工作。因此,研究着陆器足垫与土体相互作用对着陆器软着陆具有重要意义。基于对着陆过程的研究,将问题分解为垂直冲击和水平滑动两个方向的运动,并通过力的平衡和动量定理建立了垂直冲击的动力模型。利用独立研发的垂直冲击模型试验装置,探讨了冲击过程中土体密实度、冲击速率和冲击质量等对足垫刺入深度、最大轴力和最大加速度等的影响。分析结果表明,足垫刺入深度和最大轴力都随着冲击能量的增大而增大,并且逐渐趋于平稳。土体越密实、冲击质量越小,足垫加速度峰值则越大。试验结果还与动力模型进行了对比,结果表明,动力模型能合理地反映出着陆器在垂直冲击阶段的动力特性。

基于半主动控制的小天体着陆器缓冲器的研究

设计了一种三腿式小天体着陆器,介绍了其组成和工作原理,建立了系统的物理模型和动力学模型。着陆器采用了电机能耗制动方式的电磁阻尼缓冲器来实现软着陆,同时提出基于斩波调阻的方法实现电磁阻尼系数的调整与优化,解决了缓冲器在低速情况下缓冲力较小的问题。同时对半主动控制和被动控制着陆方式进行了Matlab/Simulink仿真,通过仿真表明,半主动着陆控制耗散功率曲线比较平稳,反弹速度减小71.6%。

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法。根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究。仿真结果与试验结果具有一定的一致性。研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况。

月球着陆器着陆过程动力学分析

以哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心研制的四腿桁架式月球着陆器样机为研究对象,通过简化模型,导出了着陆器着陆过程中各个着陆脚和着陆器质心在惯性坐标系中的位置坐标方程,以此位置坐标方程为依据得到了着陆器准静态稳定性条件.通过分析着陆器与月面着陆时瞬态动力学行为,得到了着陆器在此瞬态的各动力学参数的计算公式,以此为依据,并离散时间变量,给出了可以程序化实现整个动态着陆过程动力学模拟的计算过程,为进一步研究着陆过程动力学行为奠定了基础.