火星取样返回的必要性与科学目标

1引言相信大家不会对火星取样返回(MSR)这个词感到陌生。除了中国已正式宣布火星取样返回探测计划之外,美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)也宣布了火星取样返回探测计划,并公布了该计划的执行细节。尽管国内外有了火星取样返回计划,但毕竟还都没有实现,国内对这方面的报道也比较少。本文就人们普遍关心的问题进行介绍,主要涉及一些基本问题,如:为什么要取样返回?取样返回的科学目标是什么?到火星的什么地方选取样品等。

月球取样返回器舱-盖分离安全性分析

采用计算流体动力学(CFD)数值仿真和飞行动力学耦合的方法,对月球取样返回器伞舱盖弹射分离过程的安全性进行了仿真研究。同时利用月球取样返回器回收系统工作过程的动力学仿真系统,对舱盖伞—伞舱盖与降落伞—返回器组合体下降过程中的安全性进行了分析。研究结果表明:月球取样返回器回收系统伞舱盖的弹射分离速度的设计是合理可行的,伞舱盖的分离是安全的;伞舱盖分离后,舱盖伞—伞舱盖组合体和降落伞—返回器组合体之间不存在碰撞的可能性,下降过程也是安全的。本文工作为月球取样返回回收系统的工程设计提供了理论依据。

月球取样返回器回收半实物仿真系统研究

月球取样返回器回收半实物仿真系统是通过模拟返回器取压孔附近压力环境,将回收程控装置硬件实物接入仿真系统并构成实时仿真回路的半实物仿真平台。文章介绍了月球取样返回器回收半实物仿真系统的研制意义,对系统总体结构和设计方案、网络环境、运行流程和新的设计特点进行概括,在面向对象的基础上建立了分阶段的月球取样返回器降落伞回收系统整个工作过程的动力学模型,利用空投试验测量数据对模型的仿真精度进行验证分析,并对半实物仿真系统的实时性和压力模拟精度进行了分析。结果表明,半实物仿真系统的各项技术参数均达到设计指标,可为中国探月工程三期中月球取样返回器回收分系统的可靠性评估提供重要的技术支持。

无人火星取样返回任务关键环节分析

无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。

月球取样返回器分离阻力分析与地面分离试验验证

探月工程三期研制的月球取样返回器与轨道器间采用导向装配方式,装配后存在一定预应力,同时在轨两器分离时受空间环境作用而出现热变形,引起的分离阻力会对两器的正常分离产生影响。文章对返回器与轨道器的分离阻力进行分析和测量,并开展相关地面分离验证试验,结果表明,在轨环境引起的分离阻力约为366 N,地面装配应力引起的分离阻力约为160 N,两器分离速度约为0.24 m/s。研究结果可为轨返两器的分离设计提供参考。

地外天体取样返回的方法

2020年,深空探测可谓热闹非凡。中国的嫦娥五号从月球取样返回,日本的隼鸟-2探测器从小行星龙宫取样返回,美国的“奥西里斯-雷克斯”(OSIRIS-REx)探测器也从贝努小行星上取得了样品,正在返回地球的途中。许多国家正酝酿从火星取样返回的计划。为什么人类对取样返回这么重视呢?特别是已经有了着陆探测,甚至对一些天体发射了巡视器,为什么还热衷于取样返回呢?本文将重点讨论取样返回的重要性,以及从小行星和火星表面取样返回的方法。

小推力取样返回轨道的全局优化

本文介绍了2009年首届全国深空轨道设计竞赛冠军代表队的优化方法和设计结果。竞赛的题目可以归结为指定目标天体的小推力取样返回轨道的优化设计问题（暂不考虑利用行星引力辅助）。采用一组无奇点的春分点根数来表示小推力探测器的动力学模型；针对任意两个开普勒轨道之间的小推力交会问题，从最优控制理论出发，给出了协态变量微分方程和最优控制律，基于庞特里亚金极小值原理对有界控制量的结论预先设定了去程和回程的开一关一开发动机工作顺序；将去程和回程的转移轨道设计问题转化为非线性参数优化问题，利用顺序二次型规划法求解，并给出了初始协态变量、发射时刻、转移时间的初值猜测方法。为了得到全局优化的设计结果，问题求解分为三个阶段：1）分别求解去程和回程转移轨道；2）将去程和回程转移轨道合并为一条轨道进行整体优化；3）遍历不同发射时刻得到一系列局部优化结果，选择最好的局部解作为最终的设计结果。最后，对其它代表队的方法（主要是智能优化算法）给出了初步的对比和评述。

日本火卫一取样返回任务正式立项

相关官员2020年2月20日称,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)已批准一项火卫一取样回送任务正式进入全面研制阶段,打算在2024年发射。称为"火星卫星探测"(MMX)的这项任务将尝试首次把火卫一样品送回地球,以在实验室内进行分析。

日本火卫一取样返回任务立项

日本宇宙航空研究开发机构已批准“火星卫星探测”(MMX)火卫一取样回送任务正式进入全面研制阶段。这项任务将尝试首次把火卫一样品送回地球。科学家希望借此了解火星卫星的起源,确定其到底是被火星俘获的小行星,还是源自火星上一次远古撞击所产生的碎石。MMX探测器定于2024年9月由H-3火箭发射。

中国后来居上--浅析中美火星取样返回

9月7日第二届深空探测(天都)国际会议上,天问三号任务总设计师刘继忠透露,我国将在2028年前后实施两次发射,实现火星取样返回任务。美国航天局(NASA)和欧空局(ESA)合作,也在实施火星取样返回项目,但遇到了预算和技术等多方面问题。中国火星取样返回任务进展顺利,有望后来居上,为人类首次取回火星土壤岩石样品。

最具挑战性的火星取样返回

随着中国“天问一号”火星探测器发射成功,中国未来的火星取样返回任务也进入了大众的视野。目前,美国和欧洲已经开始启动火星取样返回任务,我国的火星取样返回工程也将在2030年前后实施。火星取样返回任务将是人类有史以来最具挑战性的行星际探测任务。

探月返回器降落伞减速系统设计及试验验证

针对探月返回器降落伞减速系统的任务特点,通过对返回器-降落伞系统的动力学特性分析,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统设计方案,实现了返回器开伞载荷、器伞系统稳定性等多因素的匹配性设计,通过仿真试验和空投试验验证了方案设计的合理性,最终通过月地高速再入返回任务飞行试验验证了降落伞减速系统性能的有效性。结果表明:降落伞减速系统工作性能稳定可靠,能够确保返回器的安全回收,可以保证后续月球采样返回任务的成功实施。

行星保护标准体系研究

我国行星探测工程火星取样返回任务属于国际行星保护政策中的V类限制性返回任务。需开展严格的行星保护工作,避免地球和火星之间出现交叉生物污染,并进而推动取得重大科学发现。依据天问三号任务行星保护设计规范,结合工程任务特点,利用系统工程方法论,进行行星保护工作标准化研究和需求分析,开展行星保护标准体系顶层设计,从纵向和横向两个维度构建了天问三号任务行星保护标准体系框架,制定了天问三号任务行星保护标准规范明细表,支撑了天问三号任务行星保护标准规范体系化建设。该研究成果和经验对提升我国深空探测行星保护工作的标准化水平具有重要借鉴和实践意义。

一种两级减速再入返回系统优化设计

针对未来天体大质量取样返回需求,为了降低再入返回过程的热流密度和温度,避免降落伞被开伞时产生过大的载荷破坏,提高减速系统的工作效率,文章提出了充气锥+降落伞两级减速再入返回系统。首先,对不同取样返回方案的钝头半径进行总热流密度的优化设计;然后,获取了各方案中充气减速段驻点的热流密度、温度变化,降落伞收口、全展开开伞载荷和着陆速度;最后,根据返回舱质量与尺寸的关系,对取样质量进行估算。当返回舱的质量为6~8 t时,各方案驻点最大热流密度范围为3.35~11.4 MW/m^(2),降落伞的最小收口充满载荷为77.1 kN,最小全展开充满载荷为159.9 kN。两级减速再入返回系统的样品舱质量可达3000~6000 kg。文章的研究结果,可为后续深空探测取样返回回收系统设计提供参考。

地外星体土壤取样机构技术

取样技术是地外星体土壤取样任务的核心技术之一。在调研各国地外星体土壤取样任务的基础上,对人工取样和无人的钻取取样、铲挖取样、夹取取样、研磨取样、复合取样等方面的国外地外星体土壤取样技术进行了分析比较,得出以下结论:多数无人自主土壤取样机构都可以看作由决定作业方式的末端执行器和位置机构两部分组成,钻取、铲挖、研磨是有效的取样作业方式,导轨机构和臂类机构是有效的位置机构。针对我国将在探月工程中实施的无人自主月球土壤取样与返回任务,建议在一次任务中同时获取浅层和深层土壤样品,以获得更加丰富的科学信息并提高取样任务的可靠性,浅层取样使用以铲挖为主增加某种破岩方式的复合取样技术,深层取样使用钻取取样技术。

宇宙探索与钻探技术

钻探技术已成为人类探索宇宙的首批技术之一。以月球钻探为例,论述了外星球钻探的特点和难点;介绍了美国、前苏联钻探专家与航天专家合作研制的轻便、高可靠性、全自动月表取样钻机及其钻进工艺的现状;分析了各种钻进方案的优缺点;结合我国将要实施的"嫦娥3期"工程,就月球自动采样并返回技术提出了设想。

未来的深空探测与空间环境模拟

文章介绍了国内外有代表性的深空探测计划的内容、特点和意义,包括:欧空局的Exo Mars火星车、美国"2020火星车"以及中国的2020火星探测计划;金星着陆探测进展情况;欧空局木星系统探测计划"木星冰月亮探索者(JUICE)"和美国的"木卫二飞越任务(Europa Clipper)";"蜻蜓号(Dragonfly)"土卫六探测项目;美国的"彗星天体生物学探索取样返回(CAESAR)"项目;月球探测计划等。还分析了未来深空探测对空间环境模拟的具体要求,空间环境模拟对推动深空探测发展的重要意义;提出了对我国未来开展空间环境模拟试验的建议。

我国首次火星探测任务飞行控制地面验证过程探讨

2021年5月15日,我国首个火星巡视器成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部,实现了我国航天史无前例的重大突破。后续,我国还将在2025年前后实现近地小行星绕飞探测、附着和取样返回,2030年前后实施火星取样返回等一系列深空探测任务。航天飞行控制中心(简称飞控中心)负责深空探测器整个飞行任务期间的轨道测量、遥测监视、遥控操作及航天器探测应用期间的任务计划实施与操作管理等工作,为确保每一次任务的成功,在任务前,结合深空探测任务特点进行全面的飞控过程地面验证。

“嫦娥”的奇妙月宫之旅

“嫦娥”是中国月球探测工程的正式名称,从2007年发射的嫦娥一号到2020年发射的嫦娥五号,整个工程已经成功将5架探测器和2台月球车送往月球,正面、背面、两极地区,环绕、登陆、取样返回……“嫦娥”们完美地完成了“绕、落、回”三大目标,正在向着载人登月的方向稳步前行。除了高清晰度、多角度的月球照片。

人类首次月背“挖土”怎么挖

5月3日,嫦娥六号探测器成功发射。此次嫦娥六号的目标是前往月球背面采集月球样品,并带回地球,这也将是人类首次开展月球背面取样返回之旅。2020年年底,嫦娥五号就已经成功实施过一次几乎一模一样的任务,只不过那一次,它着陆的地方,还是在月球的正面。那么接下来,嫦娥六号到底会怎样在月背挖土呢?咱们可以借着嫦娥五号来看看。