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。

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。

参数自适应凸优化下的月面着陆最优轨迹规划

针对月面高精度下降着陆问题,提出了一种基于最优观测器的参数自适应凸优化月面着轨迹规划算法。首先,针对下降着陆主减速段需要尽可能减少燃料消耗的问题,考虑约束及动力学模型的非凸性,采用无损凸化技术将月面下降着陆问题转化为二阶锥规划问题;其次,为减少下降着陆过程中质量、比冲等参数不确定性影响,设计了基于Riccati方程的最优观测器;再根据标称参数凸优化所产生的最优轨迹进行飞行,利用该过程中加速度计实时测量信息,结合推力器输出信息,实现对着陆器参数的在线实时估计;在参数估计实现收敛后,通过在线求解二阶锥规划问题实现最优轨迹的在线规划。仿真结果表明,该观测器能够实现在线参数实时估计;该算法相较其他定点着陆算法,仅需要发动机具有离散的推力域,且具有精度更高的优势。

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。

新一代载人月面着陆器发展趋势研究

月面着陆器是实现载人探月任务的重要组成部分,从任务规划和着陆器参数两个方面对早期美国阿波罗计划中的月面着陆器(LM)、苏联N1-L3登月计划中的月面着陆器(L3登月系统)以及最近美国星座计划中的月面着陆器(Altair)的相关情况进行了分析,并从任务需求、月面环境和研究经费及基础设施方面对LM与Altair月面着陆器进行详细比较,通过比较分析总结出新一代载人月面着陆器将沿着提高乘员运送能力、扩大到达范围、延长航天员生活时间及功能模块化的方向发展,并提出研制新一代月面着陆器应着重解决着陆器推进、结构、着陆障碍检测及缓冲以及月尘防护等关键技术。

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。

载人月面着陆器动力下降段自适应姿态控制

载人月面着陆器动力下降过程中质心偏移及其引起的姿态扰动问题比较突出,对此本文提出了采用反作用控制系统(RCS)和推力矢量控制(TVC)的联合自适应姿态控制方法.基于月面着陆器姿态运动学和动力学模型,设计了自适应姿态控制器及质心偏移自适应估计器,利用Lyapunov方法证明闭环姿态控制系统稳定,引入RCS和TVC的误差特性以检验控制器的鲁棒性.数值仿真结果表明该自适应姿态控制方法可行,所设计姿态控制器保证姿态控制系统稳定且具有鲁棒性.

定时定点月面着陆全程轨道控制设计

针对定时定点月面着陆的目标要求,提出了全程轨道控制设计方法。进行了包括地月转移、近月制动、环月降轨和动力下降的全程轨道控制的分段设计和联合规划,实现在入轨轨道偏差条件下的定时定点月面着陆。分别构建了中途修正、近月制动、环月降轨三段轨道控制的规划变量和目标参数;根据轨道倾角建立了动力下降点与着陆点的匹配转换关系。设计了中途修正、近月制动、环月降轨、动力下降的全程轨道控制策略的联合规划。建立了着陆位置偏差与轨道倾角偏差、着陆时间偏差与轨道半长轴偏差的修正关系,修正设计了中途修正目标倾角和近月制动目标半长轴。仿真算例表明,在入轨偏差轨道条件下,保证了中途修正后的飞行轨道与标称轨道基本一致,实现了与标称状态基本一致的定时定点月面着陆。可应用于月球着陆、月球采样返回以及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道设计和控制实施。

载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对"阿波罗"计划和"星座"计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。

重复使用单级月面着陆与上升器方案设计与制导

通过多方案对比分析,提出了一种采用水平姿态垂直着陆的重复使用氢氧动力单级月面着陆与上升飞行器方案,并针对飞行器制动段推进剂消耗量较大、精度低的问题,提出单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法,进行了凸优化问题建模及仿真、影响因子分析。研究结果表明,所提单级月面着陆与上升飞行器方案系统简单可靠,可以适应新一代载人运载火箭运载能力要求;所提单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法应用在水平姿态垂直着陆制动段具有较好的任务适应性,可在满足着陆姿态、位置精度等多约束下获得推进剂消耗量优化结果。重复使用单级氢氧月面着陆与上升器方案应用到环月轨道与月面往返的重复使用运载任务中,可拓展提供轨道间运输+月球表面运输的一体化运载工具,工程效费比高,为未来大规模地月空间探索与开发提供全新的运输系统解决思路。

考虑质心漂移的载人月面着陆器自适应姿态跟踪控制

月面着陆器在下降着陆过程中质量变化大,质心漂移及其引起的姿态扰动问题突出。载人月面着陆任务对安全性可靠性要求高,如何提高姿态控制的精度和稳定度是着陆任务顺利实施的关键。文章提出采用反作用控制系统和推力矢量控制的联合姿态控制方案,设计了自适应姿态控制器及质心漂移自适应估计器,通过李雅普洛夫方法证明闭环姿态控制系统稳定,引入反作用控制和推力矢量控制的误差特性以检验控制器的鲁棒性。数值仿真结果表明该控制方案可行,所设计自适应姿态控制器能使姿态控制系统稳定,推力矢量控制侧摆能使推力指向跟踪质心,可为工程应用提供参考。

基于单应视差的月面着陆区离面测量及平坦性分析

文章针对月球探测器的软着陆,提出了基于由平面诱导的单应视差的月面着陆区离面距离测量及平坦性分析方法。对于特征点分布不均匀情况,采用邻近特征点内插方法在全图强制性近似均匀选择点云作为兴趣点,用基于极线约束和单应约束融合的方法匹配纹理不丰富的兴趣点。使用由平面诱导的单应视差计算兴趣点的离面距离,以离面距离的最大值、绝对值的均值、直方图等统计值作为平坦性评估参数,识别出着陆危险点,用Delaunay三角化方法划分出着陆安全区域。实验说明此方法能够有效识别出着陆安全区和危险区。

载人登月舱月面着陆冲击问题分析

月面着陆冲击问题是载人登月工程面对的技术挑战之一,保障着陆稳定性及减少冲击载荷是问题的关键。本文依据美国阿波罗登月舱公开的技术资料,针对月面着陆冲击问题展开分析。概括介绍了宇航员参与的月面主动避障着陆;简述了登月舱的缓冲结构以及着陆速度的设计包线,并分析了登月舱内宇航员设置为站姿的原因及其冲击防护措施;简单介绍了在地面上进行登月舱模拟月面着陆冲击试验的两种方法;最后,提出了该领域未来需要进一步研究的课题。

环月降轨实现月面着陆的控制策略

针对探测器实现月面着陆的问题,对环月降轨轨道控制策略进行了研究。根据环月降轨的控制方程,将环月降轨单脉冲控制变量的不同组合与月面着陆目标参数建立了3种关系;建立了定时定点月面着陆、定点月面着陆和目标纬度区域月面着陆3种环月降轨控制策略,并给出了控制策略求解算法和步骤。针对定点月面着陆,单脉冲对半长轴和近月点高度进行组合控制,分析了环月降轨控制解空间。针对标称环月轨道/-偏差环月轨道/+偏差环月轨道,分别进行了定时定点/定点/目标纬度区域3种月面着陆的控制计算,验证了环月降轨控制策略。可应用于月球着陆、月球采样返回及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道控制。

月面着陆多尺度边缘光流特征提取与跟踪方法

针对月面着陆器动力下降过程中,基于描述子的传统视觉特征提取和跟踪方法耗时长、误匹配率高等问题,提出一种采用边缘光流的多尺度特征提取与跟踪方法。首先通过构建序列图像金字塔和应用多级掩膜提取方法,改善了图像平面上特征点分布的均匀性;在此基础上,利用边缘直方图灰度差平方和(SSGD)滑窗搜索算法,将光流计算由二维迭代简化为一维匹配,大幅缩短了算法耗时;进一步利用多尺度边缘直方图迭代搜索算法在改善大尺度运动下特征跟踪鲁棒性的同时,将光流计算精度拓展至亚像素级。仿真结果表明,本方法计算耗时不超过描述子方法的50%,非大尺度运动下具有更高的稳定跟踪特征点数目,大尺度运动下相比描述子方法下降不超过15%,在跟踪效率和稳定性方面取得了较好的平衡。

基于改进ORB的月面着陆视觉导航的配准方法

月球探测器在下降着陆过程中探测到的月面图像灰度均匀,缺少纹理信息,而视觉辅助导航采用传统ORB算法对灰度均匀的月面图像检测出的特征点数量较少,容易出现团簇现象,因此提出一种基于改进ORB算法的图像特征提取与匹配算法。首先对月面图像构建金字塔尺度空间模型,设置自适应阈值并构建掩膜逐一分块检测特征点;然后采用非极大值抑制使特征点分布均匀,消除聚集现象再进行特征匹配;最后结合渐进一致采样算法剔除误匹配,并计算下降序列图像间的位置变换关系。实验结果表明:该方法对于存在大尺度、旋转变化情况下的月面图像,在匹配精度方面比ORB提高10%~13%,在月面着陆视觉导航应用方面具有较好的适用性。

一种用于月面着陆的知识辅助单脉冲前视成像方法

针对月面着陆过程中可能存在的着陆器倾斜而导致的结构损坏甚至颠覆等问题,提出了一种用于月面着陆的基于知识辅助的单脉冲前视成像方法。首先结合月面着陆器平台搭载的双通道雷达进行了理想情况下的单脉冲成像分析,然后分析了影响单脉冲成像性能的内在机理,并对雷达接收通道的不一致性进行了建模。在此基础上,将单脉冲成像问题转化为通道相位误差估计问题;结合天线方向图的先验信息,通过对实际天线方向图与理想方向图数据信息的对比,利用最小二乘方法估计出两者之间的相位差异,并求得改进的单脉冲测角曲线。最后对接收到的回波数据进行相位补偿,就可以获得高分辨的月面着陆区域单脉冲成像结果。地球机载实测数据处理结果表明此方法可以获得高分辨的前视成像结果,可应用在月面着陆过程中。

基于稀疏扩展混合滤波的信标辅助月面着陆导航方法

针对月面着陆信标辅助导航中存在的信标位置不确定问题,提出了一种基于稀疏扩展混合滤波(SEHF)的信标辅助导航方法。首先采用稀疏扩展信息滤波(SEIF)进行量测更新过程,实现对着陆器当前位置、速度及月面信标位置的联合估计。在此基础上,进一步采用"均值矢量+信息矩阵"的混合形式进行状态预测过程,以提高算法在异步量测下的计算效率。仿真结果表明,所提出方法的收敛速度和估计精度均优于传统扩展卡尔曼滤波(EKF),且相较于原始SEIF可缩短16%左右的计算耗时;此外,当信标位置存在150 m (1σ)初始误差时,所提出方法的着陆点位置估计优于50 m (CEP)。

载人月面着陆及起飞技术初步研究

载人登月任务中最具特色的就是载人月面着陆及起飞过程,其技术体系丰富,是影响载人登月任务成败的关键环节。文章详细分析了载人月面着陆及起飞阶段的飞行方案,阐述了载人任务与无人任务设计准则上的区别,剖析了载人月面着陆及起飞技术的内涵。此外重点分析了低温推进剂蒸发量控制技术、10∶1深度变推力液体发动机技术、发动机推力矢量控制技术、大承载着陆缓冲技术、发动机羽流导流与防护技术、月尘清除及防护技术等六项与载人登月舱推进系统和结构系统相关的关键技术,分析提出了相应的技术途径和解决方案,对深入认识载人登月飞行器系统的技术体系及技术难度具有重要意义。

载人月面着陆过程的应急上升轨道优化设计

研究了月面软着陆过程发生故障后的应急上升轨道,建立了整个应急上升过程的优化设计模型,并针对构建的强约束轨道优化问题,设计了将Gauss伪谱法和直接打靶法结合的混合优化策略,求解得到了满足应急条件的上升轨道参数。仿真分析表明该方法可以有效解决月面应急上升轨道优化问题,且求解收敛性和鲁棒性较好,可为同类问题的求解提供参考。