日本发射SLIM,验证高精度月面软着陆技术

2023年9月7日,日本在种子岛航天中心使用H-2A火箭成功发射“小型月球探测着陆器”(SLIM),将演示验证高精度月面软着陆。该任务是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的小型、低成本任务,成本约180亿日元(约合1.4亿美元)。除实现工程、科学目标外,JAXA还希望通过SLIM的小型化、低成本技术对私营企业开展商业月球探测提供帮助。

月面软着陆探测器地面力学试验方法研究

月面软着陆探测器的主要任务是携带有效载荷实现在月球表面的安全着陆,其经历的主要过程包括发射段、地月转移段、近月制动段、环月段、着陆段和月面工作段。软着陆探测器面临的月球环境比近地轨道卫星复杂得多。为提高软着陆探测器系统的可靠性,必须进行充分的地面试验,验证软着陆探测器的设计合理性。文章分析了月球软着陆探测器在各飞行过程中面临的力学环境,分析了力学环境对探测器系统的影响及作用效果,提出软着陆探测器需完成的地面力学试验项目,设计相应的试验方法,并给出确定试验量级的基本原则。

基于IMU/LIDAR的月面软着陆自主导航方法

针对中国探月二、三期工程及未来星际着陆探测任务中对探测器精确着陆的要求,为避免采用导航相机进行导航时的大量图像处理运算对导航实时性的影响及其对星载计算机性能的苛刻要求,同时克服传统导航精度低的缺点,提出一种基于惯性测量单元(IMU)加激光雷达(LIDAR)的着陆段自主导航方法。该方法利用惯性测量单元测得的探测器的加速度和角速度以及激光雷达测得的探测器相对于月面的距离和速度信息,通过改进扩展Kalman滤波估计出探测器的位置、速度和姿态。该方法的运算量较小,保证了良好的实时性,且仿真分析表明采用该方法对月面地形具有较好的适应能力,可获得较高的导航精度。

软着陆验证试验中月面特性模拟方法

月面特性的模拟是月面软着陆验证试验的重要设计因素。文章结合探测器的设计状态和试验需求,论述了月面特性模拟的具体要求;基于月面地形统计分布规律,实现了月面原始形貌的模拟;通过高程剔除设计和模块化组合设计,实现了对多种典型月貌的快速模拟;最后通过月表反射特性的模拟,全面满足了试验要求,并取得了良好的试验效果。文中所述的模拟方法可为我国后续行星表面探测器及着陆技术的验证提供借鉴。

日本“月球探测智能着陆器”任务详解及启示

本文详细介绍了日本“月球探测智能着陆器”(SLIM)任务的背景、航天器系统组成、任务流程并分析了故障原因,得出了一些启示,力求为我国探月及深空探测任务规划提供一定参考。

月球探测器软着陆动力学及影响因素分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,全面考虑了各种非线性因素的影响。为保证仿真精度,提高计算效率,提出了一种缓冲腿的简化模型并采用隐式算法求解系统动力学方程。通过与试验数据的对比证明了简化模型及计算方法的有效性。在此基础上,分析了具有不同阻尼和不同刚度的着陆器中心体对有效载荷冲击响应的影响,并针对刚度的影响给出了理论解释。研究结果表明阻尼可以很好地缓冲有效载荷的加速度响应,而中心体刚度大小与有效载荷的加速度响应峰值呈负相关。研究结果对探测器的动力学分析与设计提供了一定的理论依据和技术支持。

嫦娥四号着陆器月面定时定点着陆轨道控制策略设计与实施

嫦娥四号着陆器的着陆区范围仅为嫦娥三号着陆区范围的5%.为满足在月球背面狭窄着陆区的高精度着陆需求,在嫦娥三号单层迭代的轨道控制策略基础上,提出了一种基于双层迭代的高精度定时定点月面软着陆轨道控制策略,以环月轨道倾角和环月半长轴为设计变量,设计了多发射窗口的定时定点着陆的标称轨道;再通过在近月制动及后续环月轨道控制中引入面外修正速度增量,逐次缩小轨道控制残差,解决了着陆区范围缩小带来的动力下降初始点的位置和时刻精确瞄准的需求.在轨着陆任务完成时,着陆器在动力下降初始点的落点经度预报偏差优于0.1°,落点时刻预报偏差小于1 min,表明该轨道控制策略满足任务要求.

月面定点软着陆次优制导控制一体化设计

针对月面定点软着陆制导系统和控制系统分开设计带来的精度欠佳问题,提出了一种基于改进的ZEM/ZEV(zero-effort-miss/zero-effort-velocity)方法与反步控制方法的次优制导控制一体化设计方法。首先,对传统的ZEM/ZEV方法进行必要的改进,使其能够满足飞行安全的需要和飞行末端对于加速度的约束;其次,将反步法与改进后的ZEM/ZEV方法相结合,设计定点软着陆制导控制一体化系统;最后,对整个系统的稳定性进行了分析。标称仿真及蒙特卡洛分析结果表明,本文所提出的方法具有更好的鲁棒性、更高的制导控制精度。

月球着陆器有效载荷着陆冲击响应分析

针对传统月球着陆器着陆冲击分析方法未能准确考虑结构柔性对有效载荷着陆冲击响应影响的缺点,提出了一种基于非线性瞬态动力学的着陆器有效载荷着陆冲击响应分析方法。以某型月球着陆器为对象,取其搭载的月球车为研究的有效载荷,建立月球着陆器着陆冲击非线性有限元分析模型。通过分析结果与试验结果对比,验证了模型及方法;进而分析了3种工况下月球车的着陆冲击响应,并研究了着陆器机体及着陆腿结构柔性对其着陆冲击响应的影响。研究结果表明:该方法较之传统着陆冲击分析方法可更为准确的分析有效载荷的着陆冲击响应;着陆器机体和着陆腿结构弹性均能起到减缓月球车着陆冲击响应的作用,其减缓效果分别为0.54g和0.52g,而二者共同作用的减缓效果更是达到了1.54g;着陆腿弹性对所有有效载荷的着陆冲击响应均有减缓作用,但机体结构柔性的减缓作用对其他有效载荷是否适用则需进行有针对性的分析。

着陆器足垫与月壤竖向冲击简化动力学模型

月面软着陆过程中足垫在冲击条件下的动力响应是着陆缓冲机构设计的重要依据。月壤颗粒受压易碎和散体材料特性对足垫与月壤动力相互作用起控制作用。参考NASA提出的动力控制方程,引入月壤阻尼效应建立足垫-月壤一维竖向冲击数力模型。结合室内试验、数值模拟和模型试验结果,建立月壤状态特性相关力学参数计算模型,构建冲击质量累积模型,采用精细时程积分算法将冲击过程中参数变化纳入方程求解,最终得到不同给定条件(冲击质量、冲击速度)下足垫受力和位移时程曲线和峰值。同时,以冲击质量1.5 kg、冲击速度1 m/s为例验证了模型计算结果与实测结果具有较好的一致性,可以作为缓冲机构设计冲击力、位移、作用时间输入值的估算模型。

“月船”3任务详解及启示

印度一直试图通过月球探测任务来彰显其航天实力,这不仅是为了满足本国对航天技术的热情,更是为了推动科技发展和提高国际竞争力。本文对印度“月船”3任务进行了梳理分析,可为我国深空探测任务提供一定参考。

含局部非线性的月球探测器软着陆动力学模型降阶分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,能够较全面地反映出各种非线性因素。针对非线性有限元求解耗时长的弱点,考虑到探测器的局部非线性特性,利用广义动力缩聚(GDR)方法建立了月球探测器中心体的降阶模型。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则,在广义动力缩聚方法的基础上筛选少数几阶模态影响系数(MIC)较高的模态表征中心体的加速度响应,能够进一步降低模型的阶数。将降阶的中心体模型与含非线性的缓冲机构连接后进行的软着陆动力学分析能够准确而快速地预估探测器测点的加速度响应,与非降阶模型对比,计算时间缩短了75.5%,加速度响应的相对峰值误差控制在5%以内。数值仿真表明,广义动力缩聚方法能够有效地解决传统非线性有限元方法求解效率低的问题,本文所提模态截断准则的优点是适于求解模态密集问题并且与系统的输入输出无关。

飞向月背:“嫦娥”6号的探月之旅

绕落回勘今年“五一”假期的海南文昌,涌入了超过50万游客。他们都是为了亲眼目睹“长征”5号火箭托举“嫦娥”6号飞向月球。4年前的2020年,我国完成了于2004年启动的中国探月工程“三步走”,即“绕”“落”“回”,取得了绕月飞行、月面软着陆、月面巡视、月壤自动采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地射入、第二宇宙速度高速再入返回,以及月球科学研究等一系列成就。

科技创新从嫦娥“百米悬停”向深空探测延展——访同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队

这是属于中国人的高光时刻!2013年12月14日,嫦娥三号探测器成功平稳落月,中国成为世界上第三个有能力独立自主实施月球软着陆的国家;2019年1月3日,嫦娥四号探测器翩然落月,首次实现人类探测器在月球背面软着陆;2020年12月1日,嫦娥五号探测器的着陆器、上升器组合体成功在月面预定区域优雅落月,成为我国第三个成功实施月面软着陆,并后续完成我国首次月球采样返回任务的探测器。

娣娥三号落月探测器

轰隆隆……2013年12月2日,伴随着巨大的轰鸣声,嫦娥三号落月探测器搭乘长征三号B改进型火箭,成功进入地月转移轨道。2013年12月14日,它在月面软着陆,使我国成为世界上第三个掌握落月探测技术的国家。合二为一的嫦娥三号。嫦娥三号宽4米、高4.2米,发射质量3780千克,干重1220千克,由着陆探测器(简称着陆器)和巡视探测器(简称巡视器,也就是玉兔号月球车)组成。

“嫦娥五号要经历多少挑战?”——访十一届全国政协委员、探月工程首任总指挥栾恩杰

12月初,嫦娥五号安全抵达轨道,探测器组合体完成分离,实施月面软着陆,这一次嫦娥五号探测器要进行的是我国首次月面采样返回,完成探月工程三步走“绕、落、回”的最后一步。关于探月工程,关于嫦娥五号,大家有太多想要了解的故事。

月度热点

月球嫦娥四号新成果!再现月背着陆轨迹精准定位着陆位置北京时间9月25日凌晨,国际科学期刊《自然•通讯》(Nature Communications)在线发布我国月球探测领域的一项重要成果。中国科学院国家天文台李春来研究员领导的科研团队利用嫦娥四号数据精确定位了嫦娥四号(CE-4)的着陆位置,并再现了嫦娥四号的落月过程。在嫦娥四号任务之前,人类在60年来的月球探测历程中成功实施了20次月面软着陆.

日本“月神”探测器计划

当20世纪中期人类挣脱地球的束缚,逐渐有能力去探测地球以外的空间时,月球作为地球的惟一天然卫星,首先得到了人们的关注。从1958年至1976年,美国和前苏联两个航天大国都多次对月球进行了探测,取得了大量探测成果。然而日本这样一个航天技术起步时间并不早的国家。