月球背面无人自动采样返回任务分析与要点设计

嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点,通过开展采样区选址分析,选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区,确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作;针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标,需要开展系统方案优化设计,减少系统的改动量,规避过多技术状态更改带来的工程实现风险,通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案,在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改;针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点,提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案,确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施;针对载荷搭载需求,提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案,确保系统信息接口、电气接口的安全性,并对不同载荷设计了定制式探测模式,在保证不影响主任务完成的前提下,实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用,确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功,并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。

环月轨道激光无线供电分析

针对月球表面探测器将经历的长达14天的月夜期间的供电需求,在对月球探测特点及激光无线能量传输系统分析的基础上,考虑月球极轨可以实现对于南北极及附近区域每圈轨道均覆盖一次的特点,提出利用运行于月球极轨的激光无线供电系统为极区的月表探测器进行供电的方式。环月轨道器运行轨道选取500 km月球极轨,配置大功率太阳电池阵、大功率激光器、激光发射及光束指向控制装置等。月表探测器安装激光接收装置(激光电池阵),在阴影期通过与环月轨道器可见的弧段利用激光传输获得电能。根据分析,轨道器配置12kW激光器和800mm口径发射光学系统、月表探测器配置4m直径激光电池阵情况下,激光能量传输弧段平均供电功率约为2.7kW,月表探测器平均供电功率可以达到300W,将满足探测器的生存和部分工作需求。

碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

空间可重复机械锁紧及电磁解锁机构设计与分析

针对空间航天器锁紧装置驱动链长、占用物理空间大的问题,结合摩擦自锁理论,设计了空间可重复机械锁紧及电磁解锁机构,利用多种有限元分析软件分别研究了机构的机械承载性能和电磁学性能。结果表明,在轴向最大锁紧承载工况下,锁紧珠与压板、顶杆、锁紧器外壳间的接触力随时间增加而线性增大,满足力的传递性准则和平衡准则,主要承载部件顶杆和锁紧珠所受的等效应力和变形量与时间呈线性关系,最大等效应力远小于材料的屈服极限强度,装置处于小变形范围。当线圈通入额定电流时,由于电阻发热效应,等电流密度的线圈内部出现稳定的欧姆损耗,电磁解锁装置内部近似为匀强磁场,铁芯的磁聚作用增强了端面的磁感应强度。对设计的空间可重复机械锁紧及电磁解锁机构进行样机制造,并进行原理验证,为空间在轨对接接口的可重复锁紧机构设计和分析提供理论参考。

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.

基于多工况的新型着陆器软着陆性能优化

以新型腿式着陆器为研究对象,建立其刚柔耦合动力学分析模型,实现着陆器软着陆过程的仿真。通过仿真计算,确定着陆器最易翻倒、底面最易与星球表面岩石碰撞、主体承受最大碰撞力的3组恶劣着陆工况。分析着陆器缓冲机构构型选取设计变量,基于仿真得到的3组恶劣工况,应用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现着陆器软着陆性能的优化,优化目标为增强着陆器抗翻倒能力、降低着陆器底面与星球表面岩石碰撞的可能性、降低着陆器主体最大受力值。将优化所得参数代入模型重新进行仿真,着陆器不再发生翻倒,着陆平台底面与星球表面最小距离提高4.2%,主体最大受力值降低12.1%。

一种模拟月球着陆器低重力着陆试验方法

针对月球着陆器模拟着陆试验中低重力实现困难的问题,对国外已有低重力着陆试验方法进行了分析比较.在考虑试验成本和试验场地为主要因素时,得出了滑轮平衡法为经济实用方法的结论.在考虑滑轮转动惯量和转轴摩擦的基础上,应用拉格朗日方程推导了配重块质量及着陆器加速度相对误差计算公式,并对所得公式进行了实验验证.

半刚性机械展开式气动减速技术述评

针对传统的再/进入航天器存在载荷运输能力有限、再/进入载荷环境恶劣、研制成本较高等问题,美国提出了一种区别于柔性充气式展开的半刚性机械展开式气动减速技术。文章详细分析了该技术的结构组成;通过与传统再/进入气动减速技术比较,总结了该技术的技术特点及关键技术,并介绍了其研究进展。通过分析可知,半刚性机械展开式气动减速技术以其独特的结构形式及柔性防热系统,使其具备受整流罩包络约束小、运载效率高、减速效果好、过载及热量密度峰值低以及自定位、自缓冲、模块化通用接口等优点,具有广泛的应用前景,可为拓宽中国可展开气动减速技术研究途径提供思路。

着陆姿态不确定下的着陆器缓冲机构优化设计

以某型着陆器为研究对象,建立其软着陆过程的动力学仿真模型,并结合Monte Carlo法研究不确定着陆姿态下的某型软着陆性能。然后,分析着陆器的软着陆性能与其缓冲机构构型参数之间的相关关系,并基于实验设计方法与动力学仿真模型得到样本点,建立以着陆器缓冲机构构型参数和着陆姿态参数为输入、软着陆性能指标值为输出的响应面模型。最后,基于响应面模型,考虑着陆器姿态的不确定性,运用结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)和多岛遗传算法(MIGA)的分级优化方法实现了着陆器缓冲机构的优化计算,得到了最佳缓冲机构构型参数。通过仿真模型校验,优化后着陆器的抗翻倒能力与底面抗损坏能力分别提升了3.546%和5.140%。

基于金星探测机械展开式进入飞行器技术述评

传统的金星进入飞行器存在弹道系数高、热流密度高、过载大等缺点,对热防护系统和设备的要求比较严苛。针对金星探测的任务需求,美国提出了一种基于机械展开式结构的金星进入飞行器,该飞行器发射时处于折叠状态,进入时展开形成较大的气动面,可以显著地降低弹道系数、热流密度、过载等。文章介绍了该飞行器的结构组成和展开过程,对机械展开式进入飞行器的研究现状进行了介绍,重点对比了机械展开式进入飞行器与传统形式的不同,通过对构型、工作流程、效果的对比,可以看出机械展开式进入飞行器在金星探测上具有很大的优越性,最后对其优势进行了总结,并提出了未来需要研究的问题。

半刚性机械展开式气动减速技术机构特征研究

半刚性机械展开式气动减速技术作为可展开气动减速技术的一种,其气动面结构区别于柔性充气式展开技术的气囊结构,它主要是一个由辐条、连接杆、头锥及主体等部件构成的连杆机构系统。连杆机构系统是半刚性机械展开式气动减速技术重要组成部分,对其开展特征研究是有效利用火箭整流罩空间、保证气动面构型稳定的基础。文章首先根据半刚性机械展开式气动减速技术结构特点及受力情况,建立了连杆机构几何模型和力学模型;然后采用数学解析法半定量分析和有限元法验证的手段,从几何参数、收拢包络、机构变形、系统刚度等方面对机构特征进行了分析与比较。通过研究,得出了最小收拢包络条件及最小变形条件;确定了变形最小、刚度最好、收拢包络最小的连杆机构状态;给出了连杆机构几何参数选择建议。文章研究内容及结论为进行半刚性机械展开式气动减速技术工程实施及机构优化设计提供了参考。

蜂窝材料率相关本构模型及其在月球探测器中的应用研究

蜂窝材料是探测器缓冲装置中使用最多的缓冲介质之一,研究其力学特性对探测器缓冲器及上升器月面起飞稳定性设计具有重要意义。首先分析了蜂窝材料面内面外等效力学特性,在考虑蜂窝结构率相关特性的基础上,建立了蜂窝结构横观各向同性率相关本构模型;其次,基于有限元法编写了横观各向同性率相关本构模型用户子程序,并验证了其可靠性;最后,以四腿悬架式探测器为研究对象,研究了不同率敏感系数对探测器着陆过程的影响。结果表明:随着率相关系数的增加,缓冲器吸收的能量先增大再减小,当率相关系数为0.6时最大;探测器的最大冲击加速度一直增大,且当率相关系数较大时,最大冲击加速度增长速度较率相关系数较小时要大。

嫦娥四号探测器着陆区精确选择与评价系统设计

根据主要的科学探测目标和工程约束条件筛选出了适宜嫦娥四号任务着陆的大范围区域.嫦娥四号探测器的着陆区选择需要兼顾科学探测目标、工程实现的约束以及着陆区的环境、表面特征等等.其中,着陆区的表面特征主要包括坡度、撞击坑及岩石丰度、地形对光照遮挡情况等,直接影响了动力下降过程、着陆安全及月球巡视器的车体移动能力,也是影响着陆区选择的重要因素.基于已有的着陆区遥感测绘数据,对着陆区范围内的关键地形进行了统计分析.并通过模糊推理,建立并应用了着陆区选择及评价模型,在大范围着陆区域中精确筛选出了小范围的着陆区.最后,根据嫦娥四号任务实际在轨飞行过程,对该方法进行了验证.文章所使用的地形确定及筛选方法,可以为后续地外天体软着陆探测任务提供借鉴.

星际探测太阳帆行星和太阳借力轨道全局优化

以太阳帆在20年内飞行至距离太阳200 AU以远进行星际探测为目标,研究太阳帆通过行星借力和太阳借力的轨道全局优化问题。建立太阳帆时间最优转移轨道数学模型,分析行星借力和太阳借力的约束条件,并用这些约束条件构造目标函数,从而将轨道优化的四点边值问题转化为求解无约束条件下的多变量优化问题。通过选取合理的约束权重,采用遗传算法获得大范围的粗略解,代入到序列二次规划算法中获得高精度解。仿真结果表明,虽然太阳帆通过太阳借力已获得相当大的加速度,但加上木星借力仍然可以节省相当多的飞行时间。提出的轨道优化思路,可以为太阳系逃逸任务轨道初步设计提供参考。

空间微振动模拟平台优化

为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题,设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台,能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先,利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式,并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化,使得平台固有频率满足5~250 Hz的模拟带宽。最后,提出了一种基于传递函数的控制方法,验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4 Hz,第7阶基频356 Hz,满足带宽要求;通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%,说明该方法适用于平台的控制;上平台输出最大平动加速度为399.3 mg,最大角度扰动为1979.3μrad,满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点,能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。

空间望远镜可展开次镜支撑桁架综述

为了获取更高的分辨率,空间望远镜系统的尺寸变得越来越大,以至于这些光学仪器无法装入现存运载器的内包络。采用可展开结构或分瓣式光学元件是克服内包络限制的一种有效手段,目前,国际上许多航天型号任务正积极采用这样的设计方案。与传统光学系统不同的是,可展开光学系统将依赖于展开机构的重复性和可靠性,以及多光学元件的主动共相来满足光学系统的成像需求。可展开次镜支撑桁架是可展开光学系统的重要组成部分,其展开精度直接影响光学系统的性能。为了了解该类展开机构的发展现状,文章对可展开望远镜系统进行了充分的调研与分析,从结构形式、展开机构、驱动方式等角度讨论了几种典型的可展开次镜支撑桁架的特点,并对其中的关键技术,如铰链的非线性特性抑制技术、高重复性和稳定性在轨展开锁定技术及地面重力卸载技术等进行了分析与总结。最后归纳了可展开次镜支撑桁架的一些设计原则。

天基对静止轨道空间目标可见光探测的几何位置分析

以天基可见光遥感器探测地球同步静止轨道空间目标为例,详细分析和讨论了在天基空间目标可见光探测的任务中,太阳、空间目标和天基可见光遥感器三者的相对位置关系,并对可实现天基空间目标可见光探测的条件进行了梳理和分析,最后给出了适宜天基空间目标可见光探测的条件和结论,为遥感器的在轨工作能力分析和工作模式设置提供了依据。

一种基于形态学的探测器安全着陆点选择方法

探测器着陆点选择的优劣直接关系到探测器能否安全降落。提出了一种基于数学形态学的探测器安全着陆点选择算法。该算法先利用灰度形态学中的高、低帽变换对探测目标表面的弹坑及岩石等障碍进行检测,然后对形成的多连通区域利用数学形态学进行骨架提取并修正,进而求出最佳安全着陆点以及安全着陆半径,最后通过仿真验证了该算法的有效性。

火星环境下降落伞拉直过程的动力学建模

文章在简要介绍火星探测器的物伞系统组成以及火星探测器降落伞拉直过程的基础上,根据拉直过程中各物体的运动属性,建立了火星探测器降落伞拉直过程的三维动力学模型。模型将伞包视为变质量六自由度刚体,进入器视为六自由度刚体,伞绳/伞衣采用质量阻尼弹簧模型,即将伞衣、伞绳、连接绳以及吊带离散成若干绳段,每个绳段处理为质量集中在端点的三自由度质点,各质点之间以阻尼弹簧相连。利用所提出的动力学模型对"海盗号"第一次气球发射试验进行了仿真,并与Moog R.D.的仿真计算结果和试验数据进行了对比,验证了该文数学模型的正确性与有效性。

月壤撞击坑对探测器着陆性能影响研究

探测器软着陆后的姿态是上升器月面稳定起飞的前提基础,研究月壤撞击坑给探测器着陆性能带来的影响对上升器月面稳定起飞具有重要意义。通过有限元法(FEM)模拟GRC-1型月壤的非线性力学特性,并与文献[13]中三轴试验结果对比,验证了仿真方法的有效性;在综合考虑月壤非线性、反推火箭残余应力、姿态控制力和重力的基础上,建立了探测器着陆过程动力学模型;以四腿悬架式着陆器为研究对象,研究了月壤撞击坑对探测器着陆后姿态的影响。结果表明:探测器着陆后的姿态角随撞击坑深度的增加而增大;若要保证上升器月面稳定起飞,撞击坑深度不能超过600 mm.