火星探测热防护系统传感测量技术进展与启示

当前对于火星进入、下降与着陆过程(entry,descent and landing,EDL)气动环境认知不足,任务风险高。在EDL系统上搭载传感仪器进行飞行数据测量,重建火星大气和气动热环境,并开展充分全面的地面验证是验证科学设计工具和降低未来火星EDL任务风险的有效途径,对任务成功与否至关重要。本文首先回顾了人类火星探测任务的发展历程,明确设置热防护传感系统的必要性;然后系统总结了美国两次火星着陆任务MSL、Mars 2020,欧洲ExoMars2016任务和中国天问一号任务所搭载的EDL热防护传感系统的体系构成,以及为满足任务要求,如何进行仪器选择与布局;归纳了4次任务飞行数据的重建方法、关键技术和结果结论;最后给出了EDL热防护传感系统总结的经验、面临的技术难题和未来发展建议。

火星探测飞行控制任务规划技术研究

针对火星探测超远测控距离、超大传输时延工况下飞行控制难题,研究了火星探测大时延飞行控制任务规划技术,构建了深空探测通用大时延飞行控制体系,提出了基于行星际大时延模型的预测迭代飞行控制方法,设计了深空测控上下行链路状态解耦合的控制模式,实现了火星探测器复杂测控数传模式切换天地协同自动化调度以及不同器地距离遥控发令传输时延自适应动态修正,测控资源优化配置,飞控事件合理安排及冲突自动排解等功能,解决了火星探测天地测控时延大、飞控工作模式新、器地状态协同难、应急处置要求高的难题。本研究有力确保了首次火星环绕探测和进入下降着陆(Entry,DescentandLanding,EDL)控制稳妥可靠实施。

火星探测器多次分离气动捕获自主导航与随机制导

研究多次分离阻力控制探测器在火星气动捕获过程中的导航与制导问题,建立了气动捕获过程中的动力学模型与测量模型,提出了将火星大气密度建模为高斯过程,结合无迹施密特-卡尔曼滤波对探测器的系统状态进行估计,给出了系统状态的统计信息。采用随机制导策略,通过无迹变换传播系统状态的均值和协方差信息,将其纳入制导目标的设计中,并最终优化阻力裙分离时间。仿真结果验证了所提算法在提高气动捕获导航精度和减小最终入轨所需速度增量方面的有效性,为火星气动捕获及其他深空探测任务提供了理论和技术支持。

面向载人火星探测的CO_(2)电解制氧技术发展现状与展望

利用火星原位资源制备氧气和燃料可大幅降低火星探测任务对地球物质和能源补给的依赖,对未来实施火星采样返回和载人火星探测任务具有重要意义。基于原位资源利用策略,美国国家航空航天局借助MOXIE制氧装置已实现人类首次火星制氧实验,验证了火星原位资源利用的可行性,为未来载人火星探测和更远、更久的深空探测提供了新思路。介绍了MOXIE制氧装置的结构和原理,以及MOXIE在火星制氧方面取得的最近成果;分析了影响MOXIE制氧装置制氧性能的因素与可能的性能衰减机制;并比较了MOXIE装置借助的固体氧化物电解二氧化碳技术与其他潜在的地外二氧化碳利用技术;论述了发展原位资源利用的必要性,并就未来技术发展和设备放大提出一些见解。

“凤凰号”火星探测器着陆过程

文章主要介绍了"凤凰号"火星着陆器的着陆过程、着陆点选择方法原则、巡航阶段工作任务,对进入(Entry)、下降(Descent)和着陆(Landing)即EDL阶段的蒙特卡罗分析结果和飞行器重建数值结果进行了总结比较。并对"凤凰号"相关的经验和教训进行了比较总结,这对中国未来的火星探测以及其他深空探测具有一定的借鉴作用。

火星探测的主要科学问题

在太阳系的行星中,火星与地球之间存在最多的相似之处,因此,火星是一颗承载人类最多梦想的星球。火星有水和生命存在的问题,激发了人类火星探索的好奇心,成为人类持续探测火星的推动力。火星的起源和演化与太阳系形成过程的关系,火星与类地行星的共性和特性,是当代行星科学研究的重要内容。为了人类社会的可持续发展,火星可否改造成为适宜人类居住的绿色星球——这些是人类在火星探测中必须面对的重大科学问题。只有这些重大科学问题被一一解答,我们才能清晰地去思考地球和人类自身的未来!

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号(YH-1)火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。

载人火星探测任务构架及其航天运输系统研究

随着人类社会和深空探测技术的不断发展,火星探测变得越来越有吸引力。从1960年苏联发射世界上第一个无人火星探测器至今,人类已发射无人火星探测器47次,对火星进行了详细的考察。载人火星探测在探索地外生命、星际移民、推动科技发展、提升国家地位和促进人类社会进步等方面具有重要意义。航天运输系统技术是载人火星探测任务实施的基础技术,其技术水平对载人火星探测任务的风险、复杂度和成本具有重要影响,有必要开展载人火星探测航天运输系统技术研究。

萤火一号火星探测器项目对俄合作管理经验和启示

介绍了中俄联合火星探测工程实施过程中项目管理系统获得的对俄合作管理经验。说明了国际合作模式和条件,以及中俄联合探火工程合作中技术、计划实施和商务管理中出现的矛盾以及解决措施,这些措施有效解决了相关问题。合作中积累的经验和启示对航天领域国际合作有借鉴作用。

萤火一号与俄福布斯火星探测器联合试验经验及启示

对萤火一号(YH-1)与俄福布斯(FGSC)火星探测器的联合试验进行了总结。介绍了俄方探测器的轨道设计、分离切割设计,以及结构上面级技术、构型与布局设计、推进、太阳阵技术、总体电路、测控数传等的研制经验。给出了俄力学试验和测控试验等测试方法。阐述了俄方的工艺及总装特点、发射场工作流程及管理等经验,以及从俄方工作得到的启示,对我国后续自主火星探测器研制有一定的借鉴作用。

萤火一号火星探测计划的科学目标

与其他行星相比火星是与地球最为相似,也是最有可能在其上发现地球以外生命现象的一颗行星,因此特别受到人类的关注。近年来,有国家已经发射了火星探测器,并启动了载人火星探测研究计划。中国是世界上第五个具备自主发射人造卫星的国家,也是世界上第三个具备自主开展载人航天活动的国家。但是中国在深空探测领域才刚刚起步。2007年中俄两国签署了联合探测火星计划,俄罗斯负责将中国研制的一颗微小卫星——萤火一号发送至火星轨道。萤火一号将开展自主探测,并与俄罗斯的火卫一探测器开展联合探测。本文综述了萤火一号任务提出的科学背景及科学目标,简要介绍了为实现科学目标配置的有效载荷,以及入轨后的主要探测任务,并对其科学探测结果进行了初步的展望。

我国火星探测路线图逐渐清晰

我国从未公布过的火星探测计划，似乎距离出台已为时不远，而自主火星探测器的首次发射，可能会选在2020年前后。

火星探测器减速着陆过程中若干问题的研究

围绕火星探测器减速着陆过程中涉及的开伞控制技术、降落伞拉直过程的绳帆现象、降落伞充气性能以及物伞系统动力学特性等关键技术问题进行了研究。通过对探测器进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的自适应开伞控制方法,并对其原理和实现方法进行了研究。采用降落伞拉直过程多刚体、多质点、多自由度动力学模型,对绳帆现象进行了数值仿真分析,发现开伞攻角是绳帆现象的主要成因,并提出了设计控制措施。采用降落伞轴向-径向动量守恒充气模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化及开伞载荷的影响规律或特点。利用物伞系统动力学模型,研究了物伞系统减速下降过程的动力学特性。本文研究内容对于中国火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。

基于火星探测的人工标志识别定位

为了实现火星探测中巡视器以及着陆器上人工标志的识别定位,结合好奇号火星车的人工标志特征和火星环境的特点,提出一种人工标志两步识别定位方法。第一步是在图像中识别人工标志并进行初步定位。该步骤通过图像边缘检测,提取并跟踪各轮廓边界。针对人工标志存在的沙尘附着、光照不均、以及阴影遮挡等问题,提出一种基于火星环境的自适应边缘检测方法。采用最小二乘椭圆拟合方法对每一个轮廓边界进行椭圆拟合,将拟合所得的椭圆参数作为标志的初步定位结果。第二步是对各人工标志进行精确定位。根据初步定位的椭圆参数进行图像分割。考虑标志中心为两条直线的交点,故采用Hough变换对各分割出的图像块进行直线检测,并对交点进行重定位,从而得到人工标志的精确位置。对好奇号火星车的标志图像进行了试验,结果表明:提出的方法能够检测存在较大变形的人工标志,对标志中心的定位精度稳定在1个像素以内。该对沙尘附着、光照以及阴影遮挡具有一定的鲁棒性,基本满足火星探测中人工标志定位的精度和鲁棒性要求。

基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法

脉冲星导航可靠、稳定、精度高,是实现火星探测器自主导航的有效手段之一.针对脉冲星导航中脉冲到达时间的微小误差会引起巨大的位置估计误差这一问题,提出了一种基于扩维Unsented卡尔曼滤波(ASUKF,Augmented State Unscented Kalman Filter)的火星探测器脉冲星自主导航方法,建立了以位置、速度和脉冲到达时间的常值测量误差作为状态量的导航系统数学模型,可在对探测器位置、速度进行估计的同时有效估计并修正脉冲到达时间的常值测量误差,并降低随机测量误差的影响.仿真结果表明该方法的导航定位精度可达350 m以内,可以满足火星探测自主导航的需要.

人类进入火星时代--“勇气”导引发火星探测升温

随着刚刚过去的2003年欧洲空间局和美国宇航局的两颗火星探测器相继升空，标志着人类新一轮火星探测计划开始启动。2003年6月2日，“猎兔犬2”(Beagle2)搭乘欧洲空间局的“火星快车（Mars Express)”在哈萨克斯坦发射升空，按照原定计划于2003年12月到达火星。其后不久，美国也发射了“勇气”号和“机遇”

用于火星探测的声光可调谐滤波器成像光谱仪

面向火星探测,设计并研制了一种基于声光可调谐滤波器(AOTF)原理的成像光谱仪地面原理样机。该样机由前置光机系统和后置电子学系统组成,光学系统采用消色差远心光路结构,工作波段为550～1 000nm,光谱分辨率为0.9～4.0nm。在电子学系统中引入可编程片上系统技术,并设计了新型SpaceWire高速总线接口用于数据传输。样机在实验室定标的基础上,搭载于模拟火星探测器上进行了成像试验。试验结果表明:样机成像质量良好;与ASD光谱仪的一致性对比检验表明,光谱测量准确可靠,两者数据匹配精度超过96%。SpaceWire接口实现了100 Mb/s数据率的稳定传输,满足设计指标25Mb/s的要求。样机的研制为AOTF成像光谱技术在火星遥感探测领域的应用奠定了技术基础。

我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。