2020年 第7卷 第3期
2020, 7(3): 223-231.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20200113001
摘要:
月球极区探测是目前各航天大国竞相角逐的战略制高点。在简要总结国内外月球探测发展动态的基础上，研究分析了月球极区探测需关注的主要科学问题和需要突破的主要技术问题，旨在为我国后续开展极区探测提供参考。
月球极区探测是目前各航天大国竞相角逐的战略制高点。在简要总结国内外月球探测发展动态的基础上，研究分析了月球极区探测需关注的主要科学问题和需要突破的主要技术问题，旨在为我国后续开展极区探测提供参考。
2020, 7(3): 232-240.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191003002
摘要:
目前人类已经成功实现了对月球中纬度地区的着陆探测，而对于月球极区的探测，尤其是在科学和工程上普遍认为探测意义重大的南极区域，尚属空白。对月球南极极区环境，包括温度、地形地貌、光照和测控等条件进行了初步分析。针对月球南极区域具有温度低、地形地貌复杂（撞击坑多、坡度较大）、太阳高度角低（南极点的太阳高度角在 ± 1.54°之间变化）且遮挡情况严重、对地不可见弧段较长等特点，提出了工程着陆选址的原则。着陆探测任务首先要选取合适的着陆区，不仅要满足科学目标需求，而且还应具备工程可实现性，尽可能地保证着陆安全，经过对撞击坑周围环境的比较讨论分析初步选择了4个区域（沙克尔顿撞击坑、霍沃思撞击坑、舒梅克撞击坑和坎布斯撞击坑），10个着陆点，可为未来工程实现提供参考。
目前人类已经成功实现了对月球中纬度地区的着陆探测，而对于月球极区的探测，尤其是在科学和工程上普遍认为探测意义重大的南极区域，尚属空白。对月球南极极区环境，包括温度、地形地貌、光照和测控等条件进行了初步分析。针对月球南极区域具有温度低、地形地貌复杂（撞击坑多、坡度较大）、太阳高度角低（南极点的太阳高度角在 ± 1.54°之间变化）且遮挡情况严重、对地不可见弧段较长等特点，提出了工程着陆选址的原则。着陆探测任务首先要选取合适的着陆区，不仅要满足科学目标需求，而且还应具备工程可实现性，尽可能地保证着陆安全，经过对撞击坑周围环境的比较讨论分析初步选择了4个区域（沙克尔顿撞击坑、霍沃思撞击坑、舒梅克撞击坑和坎布斯撞击坑），10个着陆点，可为未来工程实现提供参考。
2020, 7(3): 241-247.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191029003
摘要:
月球极区水冰资源开发利用是支撑基地建设和运行的重要手段之一。基于月球极区水冰资源的最新探测和数据分析结果，研究梳理了月球水冰资源的分布特征和存在形式，介绍了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势，并详细介绍了提出的光热钻取一体化开发利用方案。并进行了地面水冰提取原理试验模型，开展了地面含水沙土的水提取试验。试验结果表明，该装置在含水率5 wt%的土壤中，能够达到30 g/ h以上的水提取速率和大约4 kg/ h/m3的水提取能力，以期应用于探月四期工程任务中。
月球极区水冰资源开发利用是支撑基地建设和运行的重要手段之一。基于月球极区水冰资源的最新探测和数据分析结果，研究梳理了月球水冰资源的分布特征和存在形式，介绍了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势，并详细介绍了提出的光热钻取一体化开发利用方案。并进行了地面水冰提取原理试验模型，开展了地面含水沙土的水提取试验。试验结果表明，该装置在含水率5 wt%的土壤中，能够达到30 g/ h以上的水提取速率和大约4 kg/ h/m3的水提取能力，以期应用于探月四期工程任务中。
2020, 7(3): 248-254.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191109004
摘要:
月球后续探测工程要完成环月详查、中继以及月球极区着陆、巡视等任务，由于地面与月球南极通信条件较差，需要针对本次任务布置一颗中继星，建立满足任务需求的中继能力，完成着陆器和地面的通信。从中继轨道的选择、中继轨道与环月、着陆任务的配合等方面对月球极区探测轨道进行分析和设计，选择了周期12 h的环月大椭圆倾斜冻结轨道作为中继轨道，仿真结果表明，中继星可在轨道上运行10年不进行轨道维持，每圈轨道有三分之二的时间与月球南极通信，可为工程实施提供参考。
月球后续探测工程要完成环月详查、中继以及月球极区着陆、巡视等任务，由于地面与月球南极通信条件较差，需要针对本次任务布置一颗中继星，建立满足任务需求的中继能力，完成着陆器和地面的通信。从中继轨道的选择、中继轨道与环月、着陆任务的配合等方面对月球极区探测轨道进行分析和设计，选择了周期12 h的环月大椭圆倾斜冻结轨道作为中继轨道，仿真结果表明，中继星可在轨道上运行10年不进行轨道维持，每圈轨道有三分之二的时间与月球南极通信，可为工程实施提供参考。
2020, 7(3): 255-263.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191128005
摘要:
美国公布的新一代月面着陆器搭载了圆形薄膜太阳翼，其具有展开/收拢比大、功率/质量比高的优点。针对该型太阳翼展开动力学建模与分析困难、月面重力环境下薄膜运动复杂、展开精度要求高的问题，以绝对节点坐标方法作为动力学建模的基础，搭建了圆形薄膜太阳翼展开动力学数值分析模型；采用基于贝塞尔曲线的关节空间转角轨迹设计太阳翼结构展开策略，以完成轨迹规划与跟踪；通过前馈–反馈联合控制完成太阳翼箱板结构的限位跟踪，提高展开位置精度，抑制结构残余振动。将该展开控制策略应用到圆形薄膜太阳翼展开动力学分析中，仿真结果表明，该展开控制策略能够顺利展开太阳翼结构，同时有效降低结构展开后的残余振动，展开精度高。
美国公布的新一代月面着陆器搭载了圆形薄膜太阳翼，其具有展开/收拢比大、功率/质量比高的优点。针对该型太阳翼展开动力学建模与分析困难、月面重力环境下薄膜运动复杂、展开精度要求高的问题，以绝对节点坐标方法作为动力学建模的基础，搭建了圆形薄膜太阳翼展开动力学数值分析模型；采用基于贝塞尔曲线的关节空间转角轨迹设计太阳翼结构展开策略，以完成轨迹规划与跟踪；通过前馈–反馈联合控制完成太阳翼箱板结构的限位跟踪，提高展开位置精度，抑制结构残余振动。将该展开控制策略应用到圆形薄膜太阳翼展开动力学分析中，仿真结果表明，该展开控制策略能够顺利展开太阳翼结构，同时有效降低结构展开后的残余振动，展开精度高。
2020, 7(3): 264-270.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191108006
摘要:
月球南极地区是未来月球探测的热点地区，但其通信条件受限，要想实现月球南极地区的科学考察任务，需要采用月球中继通信的方式实现对月球南极地区科学考察任务的测控通信支持。对月球南极中继通信任务的需求、特点和约束条件进行了分析论述，并给出了月球南极中继通信可供选择的几种方案，椭圆环月轨道、平动点轨道，分析了几种方案的优点和缺点，进一步提出了双星方案，这一方案经过仿真分析可有效地提高对月球南极通信的连续覆盖能力，仿真结果表明，两颗卫星可实现对月球南极可见互补，及其对月面和月球附近飞行器的实时覆盖，可为未来“探月四期”月球南极探测工程通信实施提供参考。
月球南极地区是未来月球探测的热点地区，但其通信条件受限，要想实现月球南极地区的科学考察任务，需要采用月球中继通信的方式实现对月球南极地区科学考察任务的测控通信支持。对月球南极中继通信任务的需求、特点和约束条件进行了分析论述，并给出了月球南极中继通信可供选择的几种方案，椭圆环月轨道、平动点轨道，分析了几种方案的优点和缺点，进一步提出了双星方案，这一方案经过仿真分析可有效地提高对月球南极通信的连续覆盖能力，仿真结果表明，两颗卫星可实现对月球南极可见互补，及其对月面和月球附近飞行器的实时覆盖，可为未来“探月四期”月球南极探测工程通信实施提供参考。
2020, 7(3): 271-277.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191031007
摘要:
针对月球陨石坑探测问题，提出一种基于粒子群算法的在线轨迹规划方法。该方法首次把飞行轨迹划分为垂直上升段、程序转弯段、无动力滑行段、接近段、缓速下降段5个阶段，根据各段任务特点设计转段条件与控制量形式，在此基础之上使用解析与数值计算得到一种状态快速更新方法，通过选取3个优化参数和2项优化目标，考虑各种约束，采用粒子群算法在线优化得到参考轨迹。该方法不同于一般的轨迹规划，在无动力滑行段和接近段引入制导律，以提高规划效率。仿真结果表明，该方法运算速度快，生成的轨迹适应能力强，有利于提高探测器自主生存能力，非常适合月球陨石坑探测任务。
针对月球陨石坑探测问题，提出一种基于粒子群算法的在线轨迹规划方法。该方法首次把飞行轨迹划分为垂直上升段、程序转弯段、无动力滑行段、接近段、缓速下降段5个阶段，根据各段任务特点设计转段条件与控制量形式，在此基础之上使用解析与数值计算得到一种状态快速更新方法，通过选取3个优化参数和2项优化目标，考虑各种约束，采用粒子群算法在线优化得到参考轨迹。该方法不同于一般的轨迹规划，在无动力滑行段和接近段引入制导律，以提高规划效率。仿真结果表明，该方法运算速度快，生成的轨迹适应能力强，有利于提高探测器自主生存能力，非常适合月球陨石坑探测任务。
2020, 7(3): 278-289.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191101008
摘要:
我国正在积极开展针对月球南极的探月四期工程论证，将探索月球极区物质组成、资源分布及存在形式作为后续月球探测的重要科学目标，拟对月球极区开展采样原位探测和采样返回探测。由于月球极区特殊的环境特性，极有可能存在冻土形式的含水月壤或水冰，开展针对这类对象的采样技术研究将有力支撑未来月球探测任务的论证和实施，具有重大的工程意义。面向探月四期工程，在对极区采样作业环境、作业对象分析的基础上，对极区钻取采样关键技术进行了梳理提炼；针对月球南极永久阴影区原位探测和非永久阴影区采样返回两项任务需求，分别开展了钻取采样机具设计要素分析，对任务作业模式及采样机具提出了方案设计，并介绍了相关技术研究和产品研制的进展情况。
我国正在积极开展针对月球南极的探月四期工程论证，将探索月球极区物质组成、资源分布及存在形式作为后续月球探测的重要科学目标，拟对月球极区开展采样原位探测和采样返回探测。由于月球极区特殊的环境特性，极有可能存在冻土形式的含水月壤或水冰，开展针对这类对象的采样技术研究将有力支撑未来月球探测任务的论证和实施，具有重大的工程意义。面向探月四期工程，在对极区采样作业环境、作业对象分析的基础上，对极区钻取采样关键技术进行了梳理提炼；针对月球南极永久阴影区原位探测和非永久阴影区采样返回两项任务需求，分别开展了钻取采样机具设计要素分析，对任务作业模式及采样机具提出了方案设计，并介绍了相关技术研究和产品研制的进展情况。
2020, 7(3): 290-296.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191108009
摘要:
20世纪90年代以来，随着科学技术的发展，月球探测和研究的不断深入，月球极区永久阴影区存在水冰以及月球早期水的问题成为国际探测与研究的热点。在调研月球水（冰）的研究现状基础上，分析梳理了涉及月球水的关键科学问题，从不同空间维度、不同探测方式上，探讨性地分析并提出我国后续探月工程中水（冰）的科学任务、探测指标以及有效载荷配置方案及其功能要求，可为“探月四期”工程提供借鉴。
20世纪90年代以来，随着科学技术的发展，月球探测和研究的不断深入，月球极区永久阴影区存在水冰以及月球早期水的问题成为国际探测与研究的热点。在调研月球水（冰）的研究现状基础上，分析梳理了涉及月球水的关键科学问题，从不同空间维度、不同探测方式上，探讨性地分析并提出我国后续探月工程中水（冰）的科学任务、探测指标以及有效载荷配置方案及其功能要求，可为“探月四期”工程提供借鉴。
2020, 7(3): 297-303.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190808010
摘要:
太阳光压面积是深空探测航天器精密轨道确定和预报所需的关键参数，将直接影响定轨和轨道预报精度。采用一种基于目标特性的分析型光压面积计算方法，以球体、立方体、圆柱体和圆锥体作为目标开展仿真分析，假设目标表面分别为理想的完全漫反射、完全镜面反射和综合反射的三种材质，分析了当目标姿态角变化360°时，目标表面材料、尺寸和外形对目标整体光压面积的影响程度，通过比对仿真结果得到了影响因素的一般特点。可为深空探测航天器太阳光压建模分析与飞行器设计提供参考和借鉴。
太阳光压面积是深空探测航天器精密轨道确定和预报所需的关键参数，将直接影响定轨和轨道预报精度。采用一种基于目标特性的分析型光压面积计算方法，以球体、立方体、圆柱体和圆锥体作为目标开展仿真分析，假设目标表面分别为理想的完全漫反射、完全镜面反射和综合反射的三种材质，分析了当目标姿态角变化360°时，目标表面材料、尺寸和外形对目标整体光压面积的影响程度，通过比对仿真结果得到了影响因素的一般特点。可为深空探测航天器太阳光压建模分析与飞行器设计提供参考和借鉴。
2020, 7(3): 304-310.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191011011
摘要:
月球是人类开展深空探测活动的重要场所，月球表面的探测工程已日益成为全球关注的项目。而月面移动机器人是探测工程的基础，是实现月球探测目标不可缺少的重要环节。由于月面地形复杂，分布着大量陨石坑和块状月岩，对月面机器人的移动能力提出了更高要求。提出了具有跳跃能力的月面移动机器人，可灵活自适应月球地形变化。该机器人采用常规行走、变形后行走及气动跳跃相结合的方式，实现在月球表面移动和越障的功能。在平地等规整地形移动时，运动方式与轮式机器人一致，运动效率高；在非规整地形时，它以异形轮的形态工作，可以跨越较为低矮的障碍；在遇到较大障碍物时，运用跳跃系统越过障碍，越障能力强，可为月面巡视探测任务的实施提供技术参考。
月球是人类开展深空探测活动的重要场所，月球表面的探测工程已日益成为全球关注的项目。而月面移动机器人是探测工程的基础，是实现月球探测目标不可缺少的重要环节。由于月面地形复杂，分布着大量陨石坑和块状月岩，对月面机器人的移动能力提出了更高要求。提出了具有跳跃能力的月面移动机器人，可灵活自适应月球地形变化。该机器人采用常规行走、变形后行走及气动跳跃相结合的方式，实现在月球表面移动和越障的功能。在平地等规整地形移动时，运动方式与轮式机器人一致，运动效率高；在非规整地形时，它以异形轮的形态工作，可以跨越较为低矮的障碍；在遇到较大障碍物时，运用跳跃系统越过障碍，越障能力强，可为月面巡视探测任务的实施提供技术参考。
2020, 7(3): 311-318.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20200325012
摘要:
针对某重型运载火箭发动机地面热试车时绝热扩张段外露段结构破坏的故障，进行了失效模式分析，并基于模态结果和功率谱密度实测数据，开展了动力学仿真计算。仿真结果表明：在高振动载荷作用下，与喷管壳体尾部交界处的绝热扩张段产生较高的交变应力。伴随着发动机持续的高温高压高速燃气流动与粒子冲刷，绝热扩张段材料性能降低，高应力部位处的内型面开始出现碳布脱落等非正常现象，壁厚不断减薄，最终导致该部位开裂进而引发绝热扩张段解体。根据上述故障定位，提出了延长喷管壳体的补强方案，以此增加了高振动载荷环境下绝热扩张段的结构完整性保持能力，并顺利通过地面热试车的验证考核，表明改进方案合理，措施有效。
针对某重型运载火箭发动机地面热试车时绝热扩张段外露段结构破坏的故障，进行了失效模式分析，并基于模态结果和功率谱密度实测数据，开展了动力学仿真计算。仿真结果表明：在高振动载荷作用下，与喷管壳体尾部交界处的绝热扩张段产生较高的交变应力。伴随着发动机持续的高温高压高速燃气流动与粒子冲刷，绝热扩张段材料性能降低，高应力部位处的内型面开始出现碳布脱落等非正常现象，壁厚不断减薄，最终导致该部位开裂进而引发绝热扩张段解体。根据上述故障定位，提出了延长喷管壳体的补强方案，以此增加了高振动载荷环境下绝热扩张段的结构完整性保持能力，并顺利通过地面热试车的验证考核，表明改进方案合理，措施有效。
