地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

地外天体着陆自主避障制导技术研究进展

基于地外天体软着陆探测任务的需求,阐述了地外天体着陆自主避障制导技术的研究进展。首先对典型的地外天体着陆探测任务进行回顾与分析,并总结了着陆避障制导面临的形貌复杂多样、控制资源受限、避障精度要求高、星载计算资源有限等挑战与难点。在此基础上,从自主障碍评估和自主障碍规避两个方面梳理了着陆避障制导的研究现状。最后,结合未来地外天体探测任务需求,对着陆避障制导技术的发展方向进行了展望。

地外天体样品采样密封技术进展与发展建议

在回顾国内外地外天体样品采样密封技术发展状况的基础上,详细论述了地外天体特性与采样方式和密封容器的适配性设计,着重分析了样品密封技术的特点以及能够实现的漏率指标,深入剖析了包括防尘设计和生物灭菌在内的样品密封过程中的关键问题。最后展望了地外天体密封技术的发展趋势以及需要研究解决的技术问题,旨在为中国地外天体采样密封技术的发展提供参考。

地外天体探测与钻取技术发展研究

总结了过去几十年,包括中国、美国在内的世界多国在不同时期开展的月球及其他地外天体探测活动,分析了月球探测逐步由月球外围向月表和月球内部发展的趋势,研究了月球及其他天体内部探测必要性,对比了地外天体内部探测及钻取技术不同方法具备的不同特点,又通过分析地外天体内部探测面临的极端空间环境、地质环境和超长距离延迟通信等带来的不利条件和挑战,结合未来深空探测任务形式,给出了天体内部探测、选取、分析技术发展的建议。

地外天体固体样品封装技术综述

采样返回任务是目前地外天体探测中重点发展的航天技术领域,针对样品容器密封失效导致样品被污染的问题,文章总结了20世纪以来国内外地外天体样品封装技术的研究进展和成果。重点从密封和封装机构两项封装核心技术对地外天体样品封装进行了综述,并对目前应用较为广泛的橡胶圈密封、金属挤压密封、爆炸焊接和钎焊焊接等密封技术进行了对比分析,最后对我国地外天体样品封装技术的发展趋势进行了展望。

基于视觉的地外天体探测器着陆测速

为了确保探测器安全、准确地降落在地外天体表面,需实时测量探测器的下降速度,为制导导航与控制系统完成软着陆任务提供重要参考依据.提出一种仅利用光学相机的实时视觉测速方法,针对天体地表视频图像,采用递归全对场变换光流算法提取相邻帧间的光流场,然后通过深度神经网络的卷积层和池化层提取光流场对应的特征向量.为减小探测器降落过程中成像透视效应对测速精度的影响,构建一种适用于连续视频帧的长短期记忆网络,对特征向量和速度进行拟合,实现探测器着陆速度的实时估计.仿真实验结果表明,与基于前向传播网络的测速算法相比,本文方法的平均绝对百分比误差减小了11.98%,测量精度更高.

地外天体着陆巡视探测自主智能技术进展

以月球、火星和小行星等地外天体着陆巡视探测任务为背景,对自主智能技术的发展现状、应用情况与未来趋势进行了分析研究。回顾了目前国内外地外天体着陆巡视探测任务的实施情况;从导航定位与环境感知、轨迹优化与制导控制、自主探测与路径规划、故障诊断与自主处理等四个方面,阐述了该领域自主智能技术的研究现状,并对未来发展态势进行了展望。

地外天体上航天器起飞瞬时羽流对主发动机干扰效应影响

与地面运载/导弹发射相比,地外天体起飞航天器的主发动机在受限空间内点火瞬时,将短时处于非自由流态的工作环境条件下;羽流激波进入喷管内部且可能产生“激波贴壁”,对发动机喷管造成力、热综合效应,影响发动机工作的安全可靠性。文章从地外天体受限条件下羽流对发动机的影响要素出发,完成地外天体受限条件下的羽流建模和仿真分析,给出激波在喷管内的分布形态和变化规律并进行试验验证。所得结论可对地外天体起飞航天器的构型布局设计、导流设计和主发动机工作安全性评估提供参考依据。

地外天体采样任务特点及关键技术发展建议

地外天体采样是研究地外天体起源、演变的重要手段。详细介绍了国内外地外天体采样技术的发展情况,从资源约束、对象特性、重力与温度环境等方面,分析了地外天体采样任务的特点,梳理了钻取采样、铲挖采样、地面验证等方面的关键技术,研究结果可以为我国地外天体采样技术的发展提供参考。

地外天体采样柔性智能化系统设计与应用

地外天体的采样是未来深空探测领域的重要发展方向。与近地轨道任务不同,地外天体采样在任务执行期间通常会受通信时延大、能源有限以及非结构任务执行环境等多方面因素制约,一方面地面系统无法实时支持,需要航天器具有较高的自主能力,但另一方面航天器上系统计算资源有限,任务环境有较高的不确知性,导致航天器上全自主设计复杂且可靠性低,在很大程度上仍需要地面系统决策支持,两方面相互矛盾影响并阻碍了任务的顺利实施。针对此,通过分析地外天体采样系统及其对人工智能技术的需求,设计构建了基于人工智能技术的地外天体采样柔性系统,系统支持通过柔性配置航天器和地面系统在任务执行过程中的任务功能模块,从而逐渐实现航天器高自主能力提高任务执行效率。该系统通过“嫦娥五号”采样封装专项试验得到了验证和应用,验证结果显示:在该系统支持下可显著提高采样任务执行效率和可靠性。

地外天体起飞过程真空羽流导流力热效应研究

为研究地外天体起飞真空羽流对探测器分离产生的力热扰动,使用计算流体力学-直接模拟蒙特卡洛(CFD-DSMC)耦合计算模型对锥面导流的真空羽流场进行了计算。采用组分输运模型计算三维连续流场,并获取当地的克努森数作为判断连续流和离散流的依据。使用基于分子动力学的直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC)计算离散流场,采用可变软球(VSS)碰撞模型和Larsen and Borgnakke传能模型计算离散流分子间的能量传递,将计算结果与试验进行了对比,验证了计算方法的可靠性。研究结果表明,A器受到的侧向干扰力矩为62N·m,底部受到的最大压力为100Pa,最大热流密度为100k W/m2;B器受到的侧向干扰力矩为558 N·m,表面最大压力为8k Pa,最大热流密度为600k W/m2,喷口与导流装置顶面距离为400mm时,激波已移出喷管内部。

地外天体形貌测绘研究现状与展望

地外天体的形貌测绘产品为深空探测工程任务的顺利实施以及各种行星科学研究提供基础地理信息数据,用于着陆区选址、巡视器路径规划、行星地质与地貌分析等。对月球、火星、小行星探测任务中有代表性的形貌测绘技术与遥感制图成果进行了总结,重点梳理了利用测绘相机、激光高度计等科学仪器获取月球与行星表面的数字正射影像图与数字高程模型的研究现状。结合中国开展地外天体形貌测绘的实际需求,针对标准制定、数据共享、关键技术瓶颈、数据处理技术体系等方面给出了几点建议。

地外天体潜入式探测典型案例分析及展望

针对地外天体星壤剖面的潜入式探测任务,对星球表面热场、星壤剖面原位力学特性等科学目标探测的基本原理、实现方案和典型案例进行了资料调研与分析,并阐明了国际上开展地外天体星壤剖面潜入式探测活动的目的和科学意义。在此基础上,提出了我国月面采样科学目标拓展方案以及我国开展潜入式探测的预先研究规划,对蠕动掘进和冲击贯入式探测方案的基本原理和应用前景进行了分析。

一种用于探测器地外天体起飞试验的位姿及运动模拟装置

为了实现地外天体的表面详尽勘测,探测器需进行着陆、采样、返回等活动。为确保采样返回任务的成功,探测器在研制中需进行各种空间环境模拟试验评价。针对探测器返回起飞过程中的环境模拟试验,文章提出了采用六自由度Stewart平台作为位姿及运动模拟装置。该装置有静态和动态位姿调整两个基本功能,其中静态位姿调整用来模拟不平的地形对探测器的返回模块返回起飞的影响,动态位姿调整用来模拟返回模块与着陆模块之间的相对运动。位姿及运动模拟装置的控制为上位机+下位机工作模式,由上位机设置模拟装置的运动参数,并将运动参数传输到下位机进行控制。经过模拟试验测试证明,该装置能够满足探测器返回起飞的位姿及运动的模拟试验要求。

一种地外天体样品真空密封结构

国外已开展多次地外天体采样返回任务,我国首次对外星体采样返回任务—嫦娥五号探测器即将实现地外天体样品的采集及返回,可靠的样品密封技术是维持地外天体样品原态,保证地面数据分析准确性的关键。设计了一种以铟银合金—钛合金刀口为主密封、橡胶圈辅助密封的真空密封方案用于地外天体样品密封。并通过地面环境试验验证,结果表明该方案密封漏率优于5×10^(-9)Pa·m^3·s^(-1),能够实现地外天体样品高纯密封,防止地外天体样品被污染。

地外天体起飞羽流导流气动力效应仿真

探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0°~5°范围内的羽流导流气动力效应进行了仿真计算。计算结果表明,随着上升距离增加和偏转角度增大,起飞器受到的力矩出现了反向增加现象,严重影响起飞稳定。研究发现,上述现象产生的主要原因为偏转角度增加时,起飞器距离起飞平台较远一侧的羽流与起飞平台作用点由圆锥导流结构逐渐偏移至平面位置,导致羽流作用于起飞平台后的流动方向由贴近起飞平台向侧面流动急剧转变为反弹至起飞器底面方向流动,从而使远离起飞平台的一侧所受力矩高于靠近起飞平台一侧,产生反向力矩。

地外天体超声波钻探器研究与应用综述

分别探讨了国内外各科研机构研制的超声波钻探器的原理及性能特点,重点针对超声波钻探器的钻进过程优化问题,分析了现有的超声波钻探器作动方式的改进过程,结果表明:超声波钻探器在理论及试验研究方面都相对成熟,是未来地外天体采样任务中优势突出、可工程实现的钻探平台;并且轻质、结构紧凑的回转冲击式超声波钻探器更具有应用前景。对压电换能器模型和超声波钻探器集成模型分别进行了综述,指出了各种模型的优缺点及适用条件。对超声波钻探器驱动电源进行了综述,给出了设计驱动电源需重点关注的问题。依据星体探测的任务特点,对超声波钻探器在未来星体探测中的预研成果进行了探讨。最后对超声波钻探器研究和应用的发展趋势进行了展望。

地外天体撞击地球的数学模型

通过数学模型研究地外天体撞击地球的问题,得出地外天体撞击地球的概率公式.通过数学公式反映地外天体撞击地球的有关规律.

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。

一种地外天体路标图像的稀疏化表征方法

针对用于地外天体着陆视觉导航的路标图像信息存在的计算量大和占用存储空间大等问题,提出一种路标图像的稀疏化表征方法.引入着陆路标图像的尺度估计和尺度变换,采用Harris算法提取路标特征点,改进了FREAK特征描述子用以稀疏化表征天体路标信息;并针对图像旋转、尺度变化、图像噪声和尺度估计误差4种外界干扰,仿真对比改进算法与原FREAK算法、SURF算法的性能.仿真结果表明:提出的算法大幅减少计算量和特征描述子所占用的存储空间,同时能够正确匹配到更多的路标特征,鲁棒性更好,更适合地外天体着陆任务应用.