2022年 第9卷 第2期
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2022, 9(2): 101-113.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210151
摘要:
面向月球水冰科学探测需求，根据月球极区环境及水冰特性，总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术。根据水冰采样点选址预判需求，概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法；面向表层暴露水冰采样需求，阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术；根据次表层埋藏水冰采样需求，概括了星壤次表层潜入技术体系，介绍了集成传感、挥发分提取、星表取钻屑、钻头外取屑、钻头内取屑、取芯6类钻进采样技术。对中国实施月球水冰采样探测任务技术途径提出了建议。
面向月球水冰科学探测需求，根据月球极区环境及水冰特性，总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术。根据水冰采样点选址预判需求，概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法；面向表层暴露水冰采样需求，阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术；根据次表层埋藏水冰采样需求，概括了星壤次表层潜入技术体系，介绍了集成传感、挥发分提取、星表取钻屑、钻头外取屑、钻头内取屑、取芯6类钻进采样技术。对中国实施月球水冰采样探测任务技术途径提出了建议。
2022, 9(2): 114-122.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20191106001
摘要:
动能侵彻式原位探测是一种获取星壤剖面结构、物质成分和物性参数的有效技术手段。综述了星壤剖面动能侵彻式原位探测技术的研究现状和发展趋势，提出了动能侵彻式原位触探的关键技术及其解决途径；结合中国未来深空探测总体规划和关键技术攻关需求，提出了适用于月球、火星及小天体的动能侵彻式原位触探方案，为即将实施的地外天体着陆探测工程立项论证和实施提供新方法和新方案。
动能侵彻式原位探测是一种获取星壤剖面结构、物质成分和物性参数的有效技术手段。综述了星壤剖面动能侵彻式原位探测技术的研究现状和发展趋势，提出了动能侵彻式原位触探的关键技术及其解决途径；结合中国未来深空探测总体规划和关键技术攻关需求，提出了适用于月球、火星及小天体的动能侵彻式原位触探方案，为即将实施的地外天体着陆探测工程立项论证和实施提供新方法和新方案。
2022, 9(2): 123-133.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210147
摘要:
月球极区独特的光照条件和表面环境特征是水富集和保存的理想场所，探测永久阴影区内的水冰对科学研究和开发利用月球资源具有重要的意义。综合调研了国际上在月球极区开展的理论研究和遥感探测成果，阐述了极区地质、表面光照条件和热环境特征。介绍了极区月壤和水的形成演化机制及水冰可能的赋存状态。系统梳理了国际上关于极区水冰的探测历程和方法，综合各种探测结果后取得的关于水冰分布特征的认识。根据分析Apollo 16样品后得到的物性、化学、矿物组成和粒径分布基本特征，提出了极区月壤模拟样品制备标准。通过对月球极区探测结果梳理并建立了系统认识极区地质演化的框架，为将来的月球极区月壤和水冰探测提供较为全面的参考。
月球极区独特的光照条件和表面环境特征是水富集和保存的理想场所，探测永久阴影区内的水冰对科学研究和开发利用月球资源具有重要的意义。综合调研了国际上在月球极区开展的理论研究和遥感探测成果，阐述了极区地质、表面光照条件和热环境特征。介绍了极区月壤和水的形成演化机制及水冰可能的赋存状态。系统梳理了国际上关于极区水冰的探测历程和方法，综合各种探测结果后取得的关于水冰分布特征的认识。根据分析Apollo 16样品后得到的物性、化学、矿物组成和粒径分布基本特征，提出了极区月壤模拟样品制备标准。通过对月球极区探测结果梳理并建立了系统认识极区地质演化的框架，为将来的月球极区月壤和水冰探测提供较为全面的参考。
2022, 9(2): 134-140.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210153
摘要:
针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息，分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点，提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法，并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试，获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律，得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围，可为月壤水冰原位探测与利用相关载荷的研发提供设计依据。
针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息，分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点，提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法，并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试，获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律，得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围，可为月壤水冰原位探测与利用相关载荷的研发提供设计依据。
2022, 9(2): 141-149.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210149
摘要:
月面通常由细颗粒粉末状月壤覆盖，利用侵彻器可实现次表层月壤的探测。在侵彻器与月壤相互作用的过程中，为研究侵彻器结构及科学载荷缓冲结构的抗冲击性能、不同剖面组构的抗侵彻性与辨识性，以及侵彻后对月壤的扰动强弱，开展了100~260 m/s全尺寸侵彻器对3类月壤模拟样本的侵彻试验。试验结果表明，约3×104g过载下侵彻器结构完好，载荷运行正常；侵彻无硬层月壤模拟样本靶标时，滤波后侵彻器过载峰值约1 000g；侵彻月岩或水冰模拟样本靶标时，滤波后侵彻器过载峰值为无硬层月壤模拟样本靶标的5倍以上，弹载记录仪可对不同强度成层模拟样本靶标进行辨识；在弹道终点处，距侵彻器约20 mm范围内的颗粒类模拟样本靶标表现为扰动破碎，中值粒径最多降低约70%。可为探月四期探测工程探测器设计提供参考。
月面通常由细颗粒粉末状月壤覆盖，利用侵彻器可实现次表层月壤的探测。在侵彻器与月壤相互作用的过程中，为研究侵彻器结构及科学载荷缓冲结构的抗冲击性能、不同剖面组构的抗侵彻性与辨识性，以及侵彻后对月壤的扰动强弱，开展了100~260 m/s全尺寸侵彻器对3类月壤模拟样本的侵彻试验。试验结果表明，约3×104g过载下侵彻器结构完好，载荷运行正常；侵彻无硬层月壤模拟样本靶标时，滤波后侵彻器过载峰值约1 000g；侵彻月岩或水冰模拟样本靶标时，滤波后侵彻器过载峰值为无硬层月壤模拟样本靶标的5倍以上，弹载记录仪可对不同强度成层模拟样本靶标进行辨识；在弹道终点处，距侵彻器约20 mm范围内的颗粒类模拟样本靶标表现为扰动破碎，中值粒径最多降低约70%。可为探月四期探测工程探测器设计提供参考。
2022, 9(2): 150-156.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210154
摘要:
高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测，探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系，探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统，对–170 ℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果，得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数，总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律；结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性，提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。
高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测，探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系，探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统，对–170 ℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果，得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数，总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律；结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性，提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。
2022, 9(2): 157-164.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210150
摘要:
为降低月壤采样器的功耗，并减小工作反力，提出一种双体振贯式采样方法，详细设计了两种不同磁力驱动方式的采样器，采用电磁仿真软件得到了采样器的驱动力，利用离散单元法数值模拟软件研究了颗粒单向运移特性，开展了采样器对模拟松散月壤和月壤硬岩的掘进采样试验，验证了采样器的驱动力大小。试验结果表明：采样器针对模拟松散月壤具有较高的掘进速率，对模拟月壤硬岩具有一定的破碎掘进能力。可为未来深空探测星壤采样装置设计提供参考。
为降低月壤采样器的功耗，并减小工作反力，提出一种双体振贯式采样方法，详细设计了两种不同磁力驱动方式的采样器，采用电磁仿真软件得到了采样器的驱动力，利用离散单元法数值模拟软件研究了颗粒单向运移特性，开展了采样器对模拟松散月壤和月壤硬岩的掘进采样试验，验证了采样器的驱动力大小。试验结果表明：采样器针对模拟松散月壤具有较高的掘进速率，对模拟月壤硬岩具有一定的破碎掘进能力。可为未来深空探测星壤采样装置设计提供参考。
2022, 9(2): 165-172.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210148
摘要:
根据月球极区的环境和工况，分析了科学探测仪器对月壤样本的实际需求，提出一种将采样与挥发分提取相耦合的挥发分制备方法。通过设计一种采样片，完成月壤的微定量采样，多个采样片串联装于采样管内组成采样器。采样后将采样片置于提取装置中加热，以感应加热的方式间接加热内部的月壤，完成挥发分制备。针对地外天体采样功能需求，对采样器和采样片工作原理和关键结构参数进行了设计，开展了拟实环境下的月壤微量采样性能验证试验，结果表明月壤含水率越低，采样量越接近目标值；初步加热试验表明该方案能够在指定功率下将采样片加热至目标温度。可用于未来的深空探测挥发分原位分析。
根据月球极区的环境和工况，分析了科学探测仪器对月壤样本的实际需求，提出一种将采样与挥发分提取相耦合的挥发分制备方法。通过设计一种采样片，完成月壤的微定量采样，多个采样片串联装于采样管内组成采样器。采样后将采样片置于提取装置中加热，以感应加热的方式间接加热内部的月壤，完成挥发分制备。针对地外天体采样功能需求，对采样器和采样片工作原理和关键结构参数进行了设计，开展了拟实环境下的月壤微量采样性能验证试验，结果表明月壤含水率越低，采样量越接近目标值；初步加热试验表明该方案能够在指定功率下将采样片加热至目标温度。可用于未来的深空探测挥发分原位分析。
2022, 9(2): 173-182.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210052
摘要:
针对“嫦娥五号”月面表层无人采样任务过程中机械臂精确控制难度大、器地协同工作复杂导致常规遥操作工作模式难以在有限时间内完成任务的问题，提出了月面表层无人采样高效控制方法和新的工作模式。通过建立采样区量化评价指标体系实现采样点规划、采用预先规划方法进行任务规划和机械臂运动控制规划、在线学习机械臂末端精调路径与多视角融合图像测量分析精调控制量、基于状态自动发令与实时管控工作进度等技术，实现了环境感知、任务规划与验证、机械臂末端精调规划、控制实施等环节提高工作效率。“嫦娥五号”月面表层采样任务在轨实施情况表明控制方法和新的工作模式能够极大提升采样工作效率，为未来火星和小行星采样工程项目奠定了基础。
针对“嫦娥五号”月面表层无人采样任务过程中机械臂精确控制难度大、器地协同工作复杂导致常规遥操作工作模式难以在有限时间内完成任务的问题，提出了月面表层无人采样高效控制方法和新的工作模式。通过建立采样区量化评价指标体系实现采样点规划、采用预先规划方法进行任务规划和机械臂运动控制规划、在线学习机械臂末端精调路径与多视角融合图像测量分析精调控制量、基于状态自动发令与实时管控工作进度等技术，实现了环境感知、任务规划与验证、机械臂末端精调规划、控制实施等环节提高工作效率。“嫦娥五号”月面表层采样任务在轨实施情况表明控制方法和新的工作模式能够极大提升采样工作效率，为未来火星和小行星采样工程项目奠定了基础。
2022, 9(2): 183-190.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210099
摘要:
X频段测量具有精度高、无线电干扰少等优势，已成为月球与深空探测的主用频段。“嫦娥五号”任务探测器首次在发射段使用X频段测控。与S频段测控相比，X频段在发射及入轨段存在目标动态范围大、地面天线波束更窄、系统捕获时间长等不足。发射“嫦娥五号”探测器的“长征五号”火箭采用了窄窗口多轨道发射方案，两者共同对测控系统发射段快速捕获、测量船位选择和入轨后地面站首次捕获提出了更高的要求。针对“嫦娥五号”发射及入轨段的测控重点难点，采用了特征点覆盖船位分析、多普勒预置快速扫描捕获和入轨段欧洲航天局（European Space Agency，ESA）库鲁站与中国阿根廷深空站协同备份等方法，设计X频段测控任务总体方案，有效降低了任务实施的风险，保障了任务成功。总结“嫦娥五号”任务成功经验，对未来月球与深空任务测控总体设计、建设规划提出了建议。
X频段测量具有精度高、无线电干扰少等优势，已成为月球与深空探测的主用频段。“嫦娥五号”任务探测器首次在发射段使用X频段测控。与S频段测控相比，X频段在发射及入轨段存在目标动态范围大、地面天线波束更窄、系统捕获时间长等不足。发射“嫦娥五号”探测器的“长征五号”火箭采用了窄窗口多轨道发射方案，两者共同对测控系统发射段快速捕获、测量船位选择和入轨后地面站首次捕获提出了更高的要求。针对“嫦娥五号”发射及入轨段的测控重点难点，采用了特征点覆盖船位分析、多普勒预置快速扫描捕获和入轨段欧洲航天局（European Space Agency，ESA）库鲁站与中国阿根廷深空站协同备份等方法，设计X频段测控任务总体方案，有效降低了任务实施的风险，保障了任务成功。总结“嫦娥五号”任务成功经验，对未来月球与深空任务测控总体设计、建设规划提出了建议。
2022, 9(2): 191-201.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210082
摘要:
基于月球采样返回任务飞行过程复杂、四器多组合模态协同控制复杂、多类约束关联组合复杂、多种关键控制密集难点，提出了月面采样返回飞行控制任务多目标协同规划设计，确保多目标在轨密集指令与各类型测控资源安排协同有序。分析了月球采样返回与以往月面软着陆和近地交会对接任务的继承差异，设计了复杂多目标器间代传上行控制关系描述、多目标测控资源分配和多目标事件规划方法。“嫦娥五号”在轨任务飞行控制应用表明所作设计是合理可行的。
基于月球采样返回任务飞行过程复杂、四器多组合模态协同控制复杂、多类约束关联组合复杂、多种关键控制密集难点，提出了月面采样返回飞行控制任务多目标协同规划设计，确保多目标在轨密集指令与各类型测控资源安排协同有序。分析了月球采样返回与以往月面软着陆和近地交会对接任务的继承差异，设计了复杂多目标器间代传上行控制关系描述、多目标测控资源分配和多目标事件规划方法。“嫦娥五号”在轨任务飞行控制应用表明所作设计是合理可行的。
2022, 9(2): 202-210.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210101
摘要:
针对地外天体的巡视探测任务，环境感知计算量大影响行走效率的问题，提出了立体视觉算法及并行优化设计与硬件协同来提高效率的方案。通过前向模型一次查表、省略冗余计算、三维点云生成与快速滤波等并行优化算法，立体视觉的计算量显著减少。再通过硬件的并行实现，感知效率比“玉兔二号”提升了8倍。“祝融号”火星车采用该算法自主避障，完成了安全高效的1 km行走距离，飞行在轨验证结果表明该设计在地外天体未知环境和资源约束条件下快速有效，可作为后续深空任务的基石。
针对地外天体的巡视探测任务，环境感知计算量大影响行走效率的问题，提出了立体视觉算法及并行优化设计与硬件协同来提高效率的方案。通过前向模型一次查表、省略冗余计算、三维点云生成与快速滤波等并行优化算法，立体视觉的计算量显著减少。再通过硬件的并行实现，感知效率比“玉兔二号”提升了8倍。“祝融号”火星车采用该算法自主避障，完成了安全高效的1 km行走距离，飞行在轨验证结果表明该设计在地外天体未知环境和资源约束条件下快速有效，可作为后续深空任务的基石。
2022, 9(2): 211-216.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210112
摘要:
针对探测器近火未制动飞越火星的应急工况，设计了相应的轨控策略。通过分析探测器近火飞越时的火星引力助推加速效果，以及飞越火星后轨道长期演化情况，提出了从轨控能量和等待时间两个维度开展策略设计的思路，设计了能量优化、时间优化、能量时间代价折中等分支下的多种策略，通过理论分析和仿真验证，量化比较了各策略的优缺点，得出能量优化和时间优化可以作为首选方案的结论。所设计的应急策略保障了首次火星探测任务近火捕获在可控情况下稳妥实施，相关的研究方法和结论能够为飞控决策和应急控制提供技术支持及量化参考，并可扩展至相似背景的其他行星探测任务中。
针对探测器近火未制动飞越火星的应急工况，设计了相应的轨控策略。通过分析探测器近火飞越时的火星引力助推加速效果，以及飞越火星后轨道长期演化情况，提出了从轨控能量和等待时间两个维度开展策略设计的思路，设计了能量优化、时间优化、能量时间代价折中等分支下的多种策略，通过理论分析和仿真验证，量化比较了各策略的优缺点，得出能量优化和时间优化可以作为首选方案的结论。所设计的应急策略保障了首次火星探测任务近火捕获在可控情况下稳妥实施，相关的研究方法和结论能够为飞控决策和应急控制提供技术支持及量化参考，并可扩展至相似背景的其他行星探测任务中。
2022, 9(2): 217-229.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220004
摘要:
执行深空探测任务的薄膜太阳帆在入轨展开过程中，其薄膜结构在宏观力学响应上表现出显著的拉压不对称特性。系统的动力学行为呈现出强烈的非线性特征，使其动力学建模与仿真计算面对巨大挑战。基于绝对节点坐标方法（Absolute Nodal Coordinate Formulation，ANCF），整合张力场和不同模量弹性理论，推导了单元精确的切线刚度矩阵，提出了一种考虑不同模量的ANCF薄膜单元计算方法。在此基础上，采用第一类拉格朗日方程对薄膜太阳帆进行动力学建模，并通过可控数值耗散的广义-α算法求解动力学方程，分析了太阳帆不同结构设计参数对其展开动力学特性的影响。仿真结果验证了该方法在处理空间薄膜问题时的算法稳定性和高效性，对大型帆膜结构的系统设计有理论指导意义。
执行深空探测任务的薄膜太阳帆在入轨展开过程中，其薄膜结构在宏观力学响应上表现出显著的拉压不对称特性。系统的动力学行为呈现出强烈的非线性特征，使其动力学建模与仿真计算面对巨大挑战。基于绝对节点坐标方法（Absolute Nodal Coordinate Formulation，ANCF），整合张力场和不同模量弹性理论，推导了单元精确的切线刚度矩阵，提出了一种考虑不同模量的ANCF薄膜单元计算方法。在此基础上，采用第一类拉格朗日方程对薄膜太阳帆进行动力学建模，并通过可控数值耗散的广义-α算法求解动力学方程，分析了太阳帆不同结构设计参数对其展开动力学特性的影响。仿真结果验证了该方法在处理空间薄膜问题时的算法稳定性和高效性，对大型帆膜结构的系统设计有理论指导意义。
2022, 9(2): 230-236.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210127
摘要:
基于星载等离子体探测仪的实测回波图，提出结合全球尺度等离子体模型（Global Core Plasma Model，GCPM）和射线追踪技术来模拟电磁波在等离子体层和磁层等离子体环境中的传播过程。采用的射线追踪方法基于冷等离子体折射指数，考虑磁场对于折射指数的影响。该模拟方法通过仿真获取等离子体探测回波的结构特征，为星载等离子体探测仪获取实测等离子体回波图提供一定的参考价值。对后续从实测等离子体回波图中反演得到电子密度剖面具有指导意义，也为未来深空探测任务和通信工程的顺利实施提供重要的参考依据。
