一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。

基于渐开线球形齿轮传动的火星采样柔性臂设计

以火星车车载采样机械臂为工程背景,提出了一种利用新型渐开线球面齿轮传动且具有多自由度的柔性臂。该柔性臂由驱动单元、转向单元、臂展单元、末端执行单元组成。其中臂展单元由5对球形齿轮串联而成,转向单元由两个推力杆及球面副组成,末端执行单元为样品夹取执行器。柔性臂采用无线控制驱动方式,实现了全方位的偏摆运动,具有轻量化、运动灵活等特点。

火星采样返回任务轨道方案初步设计

火星采样返回是近年国际上深空探测规划的重点任务.本文考虑开展火星探测任务的实际工程约束,以2028年发射机会为例,对火星采样返回任务全飞行过程各阶段的轨道方案进行了研究,在不同方案比较分析的基础上,推荐未来开展火星采样返回任务的可能轨道方案.对任务轨道进行了初步分析和设计,给出了主要阶段的分析结果,讨论重点包括发射转移、近火制动、火星轨道交会对接和火地转移等飞行阶段轨道方案的初步设计.分析表明:火星采样返回任务每两年有一次发射机会,其中2028年发射窗口集中在11月;考虑到重型火箭研发风险,可以采用现役火箭分别发射着陆上升组合体和轨返组合体的两次发射方案;从火星返回地球,约两年有一次返回机会,火星出发窗口和地球出发窗口相差约两年时间.

火星上升器发射技术综述

火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有非常重要的意义和科学价值。火星表面数十公里厚且不稳定的大气环境,使得将装有火星样品的上升器安全、稳定地从火星表面送至轨道器的任务十分具有挑战性。火星上升器发射技术是火星采样返回任务中的关键技术,关系到任务的成败。本文分析了国外火星上升器发射技术的发展现状,总结了已有各类发射方案的技术特点,以期为中国后续开展火星采样返回任务提供可参考的火星上升器发射技术方案。

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。

沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望

沙尘暴会对火星表面探测器带来发电量减少、环境温度降低、通信不稳定和仪器污染等方面的影响.为保障我国祝融号火星车的安全运行及未来火星表面探测任务的顺利开展,亟须评估沙尘暴对火星表面探测器的影响.通过系统性地回顾1997~2018年间火星表面探测器(包括着陆器与火星车)对沙尘的响应,初步认清了沙尘对火星表面探测器的影响规律——探测器太阳能电池阵列表面的尘埃以比较稳定的速率积累,而尘埃的沉积速率在沙尘暴期间,尤其是全球性沙尘暴期间会大大加快;同时,受多方面影响,电池阵列表面也会发生具有季节性模式的除尘事件.为规避沙尘暴带来的风险,在美国洞察号着陆器(InSight)的设计阶段就全面评估了沙尘暴对其着陆硬件系统及太阳能电池阵列的影响,并采取了一系列应对措施.洞察号应对沙尘暴的举措为我国未来的火星采样返回任务提供了重要启迪——前瞻性的科学指导是保障工程任务成功实施的关键.通过分析我国火星采样返回任务的初步轨道设计方案,建议未来火星探测器发射的最优窗口为2028年1月左右,以合理规避沙尘暴带来的风险.

火星壤采样探测技术研究进展与发展趋势

在火星探测任务中,火星壤探测的有效性和重要性突显了对火星壤采样探测技术的迫切需求。对人类至今为止的45次火星探测任务进行了集中化和图形化综合,阐述了四种火星探测方式:飞掠探测、环绕探测、着陆原位探测和着陆巡视探测。在阐述了各国/机构的火星壤采样探测技术及设备的工作机理、参数性能和发展现状,以及各国未来的火星探测计划的基础上,对目前已采用的火星壤采样探测方法进行了对比、分析及评价,并阐述了六种火星壤采样探测方法:铲挖式、钻取式、穿透式、鼹鼠式、研磨式和爪簧式。进一步对火星壤采样探测面临的地球资源约束、火星环境约束、火星地质约束和通讯时延约束四类关键技术难点和挑战做出了分析。最后,对火星壤采样探测技术的范围扩大化、需求多样化、策略长远化和实现智能化四类发展趋势做出了展望。