2016年 第3卷 第2期
2016, 3(2): 99-107.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.001
摘要:
对载人深空探测过程中将遭受的太阳宇宙射线、银河宇宙射线、微重力、尘与尘暴、深空微生物等环境进行分析。对不同深空环境给航天员带来的威胁进行了探讨。从物理屏蔽防护、辐射风险的监测和预警、辐射防护药物、航天员选拨等角度对采取的措施进行了阐述。从空间辐射对航天员的损伤机理、抗辐射和微重力药物开发、空间辐射屏蔽防护结构与材料、航天服自清洁、抗微生物侵蚀材料的研发等多个角度对需要进一步开展的工作进行了讨论。
对载人深空探测过程中将遭受的太阳宇宙射线、银河宇宙射线、微重力、尘与尘暴、深空微生物等环境进行分析。对不同深空环境给航天员带来的威胁进行了探讨。从物理屏蔽防护、辐射风险的监测和预警、辐射防护药物、航天员选拨等角度对采取的措施进行了阐述。从空间辐射对航天员的损伤机理、抗辐射和微重力药物开发、空间辐射屏蔽防护结构与材料、航天服自清洁、抗微生物侵蚀材料的研发等多个角度对需要进一步开展的工作进行了讨论。
2016, 3(2): 108-113.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.002
摘要:
火星作为距地球最近的类地行星之一,火星探测是继月球探测之后深空探测的最大热点。在简要总结人类火星探测历程与未来发展趋势的基础上,对未来的火星探测规划任务及其面临的主要关键技术进行了重点论述,并给出了相应启示和发展展望;结合我国深空探测能力,并对中国后续开展火星探测活动提出了相关的建议。
火星作为距地球最近的类地行星之一,火星探测是继月球探测之后深空探测的最大热点。在简要总结人类火星探测历程与未来发展趋势的基础上,对未来的火星探测规划任务及其面临的主要关键技术进行了重点论述,并给出了相应启示和发展展望;结合我国深空探测能力,并对中国后续开展火星探测活动提出了相关的建议。
2016, 3(2): 114-120,128.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.003
摘要:
无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。
无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。
2016, 3(2): 121-128.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.004
摘要:
火星进入、下降与着陆技术(entry,descent and landing,EDL)是火星着陆探测最为关键的环节。火星与地球再入返回过程相比,由于火星大气成分、物理性质与地球大气存在较大差别,且具有较大不确定性,使火星EDL过程历经时间短、状态变化快,对减速性能要求高,时序紧张。从工程实现角度分阶段开展了任务分析,识别了火星EDL环节面临的问题和挑战,提出了关键环节技术途径选择。
火星进入、下降与着陆技术(entry,descent and landing,EDL)是火星着陆探测最为关键的环节。火星与地球再入返回过程相比,由于火星大气成分、物理性质与地球大气存在较大差别,且具有较大不确定性,使火星EDL过程历经时间短、状态变化快,对减速性能要求高,时序紧张。从工程实现角度分阶段开展了任务分析,识别了火星EDL环节面临的问题和挑战,提出了关键环节技术途径选择。
2016, 3(2): 129-133,144.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.005
摘要:
火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。
火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。
2016, 3(2): 134-139.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.006
摘要:
火星着陆区选择是火星着陆及巡视任务的重要工作之一,着陆区选择需要兼顾科学目标和工程约束,考虑高风险的任务特点,火星着陆任务的工程约束更为重要。工程约束涉及着陆区表面特征、任务轨道、大气等。表面特征包括地理高程、斜坡及地形起伏、岩石分布、尘土厚度、光照、热约束情况。这些因素将影响探测器进入、下降和着陆(EDL)过程的安全性和火星车移动能力。首先针对这些工程约束进行了排序与筛选;然后建立了基于模糊算法的分析模型,通过模糊推理得到各着陆区域的评价指标,从而进行着陆区选择;最后基于ExoMars2020任务的备选着陆区进行了方法验证。
火星着陆区选择是火星着陆及巡视任务的重要工作之一,着陆区选择需要兼顾科学目标和工程约束,考虑高风险的任务特点,火星着陆任务的工程约束更为重要。工程约束涉及着陆区表面特征、任务轨道、大气等。表面特征包括地理高程、斜坡及地形起伏、岩石分布、尘土厚度、光照、热约束情况。这些因素将影响探测器进入、下降和着陆(EDL)过程的安全性和火星车移动能力。首先针对这些工程约束进行了排序与筛选;然后建立了基于模糊算法的分析模型,通过模糊推理得到各着陆区域的评价指标,从而进行着陆区选择;最后基于ExoMars2020任务的备选着陆区进行了方法验证。
2016, 3(2): 140-144.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.007
摘要:
针对火星巡视探测任务,提出3种火星车绝对定位方法:无线电测控定位、图像匹配定位、位置圆定位。无线电测控方法首先确定环绕器的轨道,然后利用环绕器和火星车的器间通信定位确定火星车的绝对位置;图像匹配方法利用着陆过程中的降落图像与带地理信息的着陆区地形图进行匹配,实现火星车的位置确定;位置圆方法通过敏感器在多个时刻测量阳光矢量方向和重力矢量方向,结合星历信息求解火星车的位置。对3种方法进行分析比较,根据定位精度、使用约束等因素,给出在轨使用建议:位置圆定位为基本方法,无线电测控定位作为校验手段,图像匹配定位作为修正手段,以满足火星车快速、高精度的定位需求。
针对火星巡视探测任务,提出3种火星车绝对定位方法:无线电测控定位、图像匹配定位、位置圆定位。无线电测控方法首先确定环绕器的轨道,然后利用环绕器和火星车的器间通信定位确定火星车的绝对位置;图像匹配方法利用着陆过程中的降落图像与带地理信息的着陆区地形图进行匹配,实现火星车的位置确定;位置圆方法通过敏感器在多个时刻测量阳光矢量方向和重力矢量方向,结合星历信息求解火星车的位置。对3种方法进行分析比较,根据定位精度、使用约束等因素,给出在轨使用建议:位置圆定位为基本方法,无线电测控定位作为校验手段,图像匹配定位作为修正手段,以满足火星车快速、高精度的定位需求。
2016, 3(2): 145-149,180.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.008
摘要:
火星大气进入段预测校正制导方法通常采用误差走廊来约束侧向运动,该方法只能满足侧向运动的末端约束,而无法实现对侧向运动过程约束的满足。将预测制导的方法引入侧向制导律设计中,该方法无需离线规划误差走廊,而是根据侧向运动中的相关约束,在线计算倾侧角反转时刻,从而同时满足侧向运动的末端约束与过程约束,并能够克服采用误差走廊可能导致的飞行器因频繁反转机动而使燃料过快消耗的问题。仿真结果表明:该侧向预测制导律不仅能满足开伞位置精度,同时也能实现对进入轨迹侧向运动的灵活规划。
火星大气进入段预测校正制导方法通常采用误差走廊来约束侧向运动,该方法只能满足侧向运动的末端约束,而无法实现对侧向运动过程约束的满足。将预测制导的方法引入侧向制导律设计中,该方法无需离线规划误差走廊,而是根据侧向运动中的相关约束,在线计算倾侧角反转时刻,从而同时满足侧向运动的末端约束与过程约束,并能够克服采用误差走廊可能导致的飞行器因频繁反转机动而使燃料过快消耗的问题。仿真结果表明:该侧向预测制导律不仅能满足开伞位置精度,同时也能实现对进入轨迹侧向运动的灵活规划。
2016, 3(2): 150-155.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.009
摘要:
针对火星精确着陆自主导航高精度的要求,提出一种仅利用火星地表陆标图像信息的自主导航方法。该方法考虑了图像拍摄到图像测量信息可用之间的时间延迟,将成像时刻探测器位置和姿态作为系统状态,利用其与探测器当前状态之间的相关性,并通过迭代扩展卡尔曼滤波算法实现对探测器当前位置、速度和姿态的估计。在该导航方法下,重点研究了导航陆标位置误差对导航精度的影响。最后,通过数学仿真验证了所给出的自主导航方法,并分析了导航陆标位置误差对导航精度的影响。
针对火星精确着陆自主导航高精度的要求,提出一种仅利用火星地表陆标图像信息的自主导航方法。该方法考虑了图像拍摄到图像测量信息可用之间的时间延迟,将成像时刻探测器位置和姿态作为系统状态,利用其与探测器当前状态之间的相关性,并通过迭代扩展卡尔曼滤波算法实现对探测器当前位置、速度和姿态的估计。在该导航方法下,重点研究了导航陆标位置误差对导航精度的影响。最后,通过数学仿真验证了所给出的自主导航方法,并分析了导航陆标位置误差对导航精度的影响。
2016, 3(2): 156-161.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.010
摘要:
钻取采样是未来火星探测采样任务中获取星表岩石样本的一种有效方式。压电驱动的超声波钻取采样技术以压电陶瓷作为作动元件,对火星表面复杂环境具有一定的适应性。基于高频冲击钻进的工作原理,超声波钻探装置容易刺入火星表面坚硬的岩石。作为一种轻质小巧、低功耗的钻探器,超声波钻探器非常适合火星表面岩石的原位探测采样任务。本文借助仿真和试验手段验证了超声波钻探器的岩石钻进能力和钻探效率。超声波钻探器的研制可为未来火星表面岩石的钻探采样任务提供技术参考。
钻取采样是未来火星探测采样任务中获取星表岩石样本的一种有效方式。压电驱动的超声波钻取采样技术以压电陶瓷作为作动元件,对火星表面复杂环境具有一定的适应性。基于高频冲击钻进的工作原理,超声波钻探装置容易刺入火星表面坚硬的岩石。作为一种轻质小巧、低功耗的钻探器,超声波钻探器非常适合火星表面岩石的原位探测采样任务。本文借助仿真和试验手段验证了超声波钻探器的岩石钻进能力和钻探效率。超声波钻探器的研制可为未来火星表面岩石的钻探采样任务提供技术参考。
2016, 3(2): 162-167.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.011
摘要:
根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。
根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。
2016, 3(2): 168-174.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.012
摘要:
建设月球基地是人类探测、开发和殖民外太空的第一步,也是最重要的一步。设计了一种新型的展开式月球基地方案,由空间可展开桁架结构与柔性热防护层合薄膜组成。设计了可展开桁架结构的9组拓扑方案和层合薄膜的7组设计方案,进行结构设计方案和强度、刚度与稳态热分析,确定最优的设计方案。针对展开式月球基地的最优设计方案,分析了整体结构性能,包括静力分析、模态分析及3种工况下的稳态热分析。分析结果表明:所设计的最优方案具有较好的结构力学性能和热防护性能,为月球基地的方案选型、结构设计与热防护系统设计提供了技术支持。
建设月球基地是人类探测、开发和殖民外太空的第一步,也是最重要的一步。设计了一种新型的展开式月球基地方案,由空间可展开桁架结构与柔性热防护层合薄膜组成。设计了可展开桁架结构的9组拓扑方案和层合薄膜的7组设计方案,进行结构设计方案和强度、刚度与稳态热分析,确定最优的设计方案。针对展开式月球基地的最优设计方案,分析了整体结构性能,包括静力分析、模态分析及3种工况下的稳态热分析。分析结果表明:所设计的最优方案具有较好的结构力学性能和热防护性能,为月球基地的方案选型、结构设计与热防护系统设计提供了技术支持。
2016, 3(2): 175-180.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.013
摘要:
在月面环境下实施钻取采样作业任务,采样钻具将受到驱动部件的高频冲击作用以及月壤交变载荷的复合作用,钻进过程中还可能需要钻具反转。为了确保在各种复杂条件下钻具的螺纹连接不松脱、不错相,对采样钻具螺纹连接失效模式进行了分析,提出了一种应用施必牢螺纹实现防松的方案,并与标准螺纹进行了对比性实验研究,验证了施必牢螺纹在采样钻具中应用的可行性。
在月面环境下实施钻取采样作业任务,采样钻具将受到驱动部件的高频冲击作用以及月壤交变载荷的复合作用,钻进过程中还可能需要钻具反转。为了确保在各种复杂条件下钻具的螺纹连接不松脱、不错相,对采样钻具螺纹连接失效模式进行了分析,提出了一种应用施必牢螺纹实现防松的方案,并与标准螺纹进行了对比性实验研究,验证了施必牢螺纹在采样钻具中应用的可行性。
2016, 3(2): 181-186.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.014
摘要:
固体运载火箭变轨发动机喷管在工作过程中可能产生气流分离问题,为研究气流分离对喷管性能的影响,开展了理论计算与数值模拟分析。通过分析获得了气流分离点位置、推力系数、喷管壁面的压强、对流换热系数、温度分布。结果表明:地面推力系数是真空推力系数的73.3%,喷管气流分离影响了发动机能量转换;气流分离后喷管壁面压强、对流换热系数、温度存在跃变现象,从而会对喷管扩张段产生不利影响。该分析为进一步研究固体火箭发动机高空喷管通过地面试验性能预示高空性能及喷管扩张段热防护设计提供参考。
固体运载火箭变轨发动机喷管在工作过程中可能产生气流分离问题,为研究气流分离对喷管性能的影响,开展了理论计算与数值模拟分析。通过分析获得了气流分离点位置、推力系数、喷管壁面的压强、对流换热系数、温度分布。结果表明:地面推力系数是真空推力系数的73.3%,喷管气流分离影响了发动机能量转换;气流分离后喷管壁面压强、对流换热系数、温度存在跃变现象,从而会对喷管扩张段产生不利影响。该分析为进一步研究固体火箭发动机高空喷管通过地面试验性能预示高空性能及喷管扩张段热防护设计提供参考。
2016, 3(2): 187-194.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.015
摘要:
火星表层矿物识别是了解火星大气环境变化、表层地质环境的关键因素。通过确定火星表层矿物,分析矿物特性,了解火星的环境状态、地质演化以及火星的未来适居性。火星勘测轨道器(Mars reconnaissance orbiter,MRO)上搭载的紧凑型侦察成像仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars,CRISM)是针对火星矿物探测的最新的高光谱成像仪,以很高的光谱分辨率覆盖可见光至近红外波段,为火星表面的矿物分布及区域填图提供了可能。通过光谱匹配及计算CRISM光谱参数综合产品,分析了火星Jezero以及Holden撞击坑内的矿物成分及其演化。Jezero与Holden因其复杂而关键的地质特征,被列为火星2020登陆任务的备选登陆点。对这两个地点的矿物探测与填图分析不仅可进一步分析火星典型地质特征以及演化,而且还可以为未来的火星登陆点分析提供现实意义。在研究区域已检测到与水成蚀变相关的含水硅酸盐类以及碳酸盐类与含水硫酸盐类。水合矿物增加了这些区域曾经含水的可能性,且矿物的多样性表明研究区地质环境经历了不同的变化,其中Jezero地区不同于火星的绝大多数地区从中性环境到酸性环境的演化,有可能经历了从中性环境到碱性环境的演化。
火星表层矿物识别是了解火星大气环境变化、表层地质环境的关键因素。通过确定火星表层矿物,分析矿物特性,了解火星的环境状态、地质演化以及火星的未来适居性。火星勘测轨道器(Mars reconnaissance orbiter,MRO)上搭载的紧凑型侦察成像仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars,CRISM)是针对火星矿物探测的最新的高光谱成像仪,以很高的光谱分辨率覆盖可见光至近红外波段,为火星表面的矿物分布及区域填图提供了可能。通过光谱匹配及计算CRISM光谱参数综合产品,分析了火星Jezero以及Holden撞击坑内的矿物成分及其演化。Jezero与Holden因其复杂而关键的地质特征,被列为火星2020登陆任务的备选登陆点。对这两个地点的矿物探测与填图分析不仅可进一步分析火星典型地质特征以及演化,而且还可以为未来的火星登陆点分析提供现实意义。在研究区域已检测到与水成蚀变相关的含水硅酸盐类以及碳酸盐类与含水硫酸盐类。水合矿物增加了这些区域曾经含水的可能性,且矿物的多样性表明研究区地质环境经历了不同的变化,其中Jezero地区不同于火星的绝大多数地区从中性环境到酸性环境的演化,有可能经历了从中性环境到碱性环境的演化。
