月球着陆器新结构的ADAMS仿真研究

为了解决月球着陆器等航天飞行器类产品研制和试验费用十分昂贵的问题,提出并试验了月球着陆器机械结构仿真研究方法.采用ADAMS动力学仿真软件,对月球着陆器3种典型结构进行了动力学建模、优化及在月球重力场下着陆缓冲等仿真研究.以冲击隔离系数的大小为具体评价指标,对月球着陆器3种典型结构缓冲性能进行了评价.结果表明斜腿式两级缓冲月球着陆器新结构缓冲效果最好.     

微小型月球着陆器冲击隔离着陆腿研究

针对微小型月球着陆器存在的着陆腿阻尼材料易发生真空冷焊和阻尼值不能改变的问题,对国外已有的着陆器结构和缓冲阻尼材料进行了详细分析。在三腿结构着陆器的基础上,应用电磁学和振动力学基本理论并结合外太空的环境特点,设计出非接触武可调阻尼的感应磁阻尼着陆腿新结构,给出着陆腿的振动微分方程,并采用ADAMS软件进行了数字仿真,结果表明,该新型着陆腿阻尼值调整方便、有效。     

"嫦娥"五号探测器模型

"嫦娥"五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成,是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统,承担着中国首次月球无人采样返回的重大任务,在采集了2kg左右的月球样本,奔走380000km后返回地球. "嫦娥"五号探测器经历了发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收11个阶段,历时23天.     

基于ADAMS平台的月球着陆器上限振幅研究

对月球着陆器撞击月面时产生的冲击振动等动力学响应进行了仿真研究．基于能量原理和振动理论，通过理论推导得出了月球着陆器上限振幅值计算公式．在机械仿真软件ADAMS基础上，用计算机建立了月球微重力环境并进行了数字仿真．仿真结果表明，理论计算值和仿真算例吻合较好，所得结论对于月球着陆器设计与振动分析具有实际意义．     

深空着陆器对偶控制策略

以深空着陆任务为背景,针对视觉导航过程中由于有限观测能力引起的估计性能不佳问题,研究了一种深空着陆器对偶控制策略.该策略将导航估计不确定性引入系统状态,给出包含与估计方差相关的二次型性能指标评价方法,利用着陆状态可观测性与着陆轨迹之间的耦合特性,合理优化观测轨迹,克服着陆过程中可观测性缺乏问题,大幅度提高系统的导航估计性能,使深空着陆器导航制导控制整体性能得到保障.     

二维最大熵和椭圆匹配的月面障碍物识别

月面障碍物识别是月球探测器自主着陆末段一个非常重要的环节.而岩石是月球表面存在较多的一种地理特征,有效地识别岩石既可以保证月球探测器的安全着陆,也可以为探测器选择适合巡视勘查的着陆场提供必要的信息.研究中将二维最大熵方法应用于图像分割,获得图像中由障碍物形成的阴影区域,然后使用椭圆匹配的方法匹配岩石的阴影区域,获得岩石的尺寸和位置.仿真实验结果表明,该算法可在0.3 s内有效地识别出图像中直径0.1 m以上的各种尺寸岩石,符合月球探测器末制导任务的实时性和精确性要求.     

多臂协作式小天体附着取样机器人机械系统

为解决探测器在弱引力、特性未知小天体表面的附着取样难题,提出一种融合着陆缓冲、附着固定、取样、放样等核心功能为一体的附着取样一体化机器人设计方案。基于腿臂复用,提出多臂协作主动自适应式着陆缓冲方案;利用超声波钻钻压力小、硬质岩石表面钻进效率高的特点,提出针对岩石类小天体的超声波钻式附着固定方案;针对星表特性不确定,取样适应性要求高的需求,提出砂轮磨削、毛刷清扫的双模式取样方案。采用仿真方法对着陆缓冲性能、取样性能等进行分析;在原理样机研制基础上,开展附着取样全流程实验。结果表明,附着取样机器人可实现着陆缓冲、附着固定、取样、放样等功能,验证了该系统的核心功能。本研究旨在探索小天体附着取样方法,为小天体取样返回任务提供技术支持。     

模拟月壤的抗剪强度特性研究

着落器月面软着陆时,着陆地月面岩土体特性和初始着陆速度是影响着陆成败的关键。模拟月壤是登月工程模型试验的重要材料,其性质直接影响着落器着落反应。为更好地实现安全着落,文章对着陆试验所用模拟月壤进行了系统的力学特性测试,由于月面不存在液态水、月面土层密度随深度变化很大,采用干燥试样进行了系列三轴试验,研究了不同相对密度、不同剪切速率条件下模拟月壤的抗剪强度,得到了不同密实程度的模拟月壤的应力应变关系曲线、弹性模量、峰值和残余段的粘聚力和摩擦角,通过不同应变速率的剪切速率测试,得到了模拟月壤的剪切速率与各力学强度参数的关系。结果表明:模拟月壤具有应变软化特性,剪切速率越大模拟月壤的弹性模量越小;峰值段摩擦角42.8~59°、残余段摩擦角16.8~22.4°,剪切速率越大模拟月壤的摩擦角越小。     

嫦娥三号软着陆控制研究

嫦娥三号于2013年12月2日成功发射,在预定着陆区虹湾区实现我国首次月球的软着陆。在受力、地形等因素的影响下,对嫦娥三号的软着陆轨迹进行控制研究,在主减速阶段和避障阶段建立了月心坐标系和月面坐标系,利用角动量守恒和机械能守恒确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置以及速度。以燃料消耗最少为目标函数,在初、末条件的约束下,分析探测器受力,实现主减速的控制。以燃料消耗最少和着陆位置的平整度为指标控制嫦娥三号避障阶段的状态、路径。     

BH-1型月球车的运动学和动力学研究

为研究松软土壤下BH-1型六轮月球探测车原理样机的运动性能和越障性能,对原理样机的运动学和动力学进行了理论分析.通过推导BH-1型原理样机车体和车轮的运动学约束关系,研究车轮的前向滑移、转向角滑移及侧向滑移对样机运动学的影响;鉴于月球表面松软的砂质土壤条件,对样机的车轮力学情况进行分析,进而建立基于凯恩方程的机器人动力学模型;利用ODE(open dynamics engine)三维动力学仿真软件对样机的越障过程进行仿真演示.仿真结果证明,BH-1具有优秀的运动性能和越障性能.     

Dynamic model building and simulation for mechanical main body of lunar lander

Focused on the dynamics problems of a lunar lander during landing process, the whole process was analysed in detail, and the linear elastic model of the moon soil was established by means of experiments-analogic method. Combining the way of elastic impact with the way of velocity replacement, the dynamics model of damping free vibration dynamics model with 3-degree of freedom(DOF) for lunar lander is obtained according to the vibration mechanics elementary theory. Based on Lagrange equations and the energy principle, the damping free vibration differential equations for the lunar lander with 3-DOF are derived and the equations are solved in simulation ways by means of ADAMS software. The conclusions obtained can be used for the design and manufacture of lunar lander.     

基于月貌匹配的视觉导航方法

针对月面探测器在接近、下降、着陆阶段所要完成的精确导航任务,提出了一种基于月貌匹配的月面探测器的视觉导航方法.月面探测器下降过程中,与探测器固联的CCD相机所拍摄的月面图像相对于图像数据库存在较大的旋转和缩放.采用Scale Invariant Feature Transform(SIFT)算法提取月貌特征并在图像数据库中进行匹配,克服了存在较大的旋转和缩放的图像的匹配问题.最后,利用月貌匹配点的地理信息,通过2D/3D位姿估计方法,估计出探测器在地理坐标系下绝对的位置和姿态.仿真结果表明该方法有效,可以应用在月面探测器在接近、下降、着陆段的导航任务中.     

着陆器足垫冲击模拟月壤的数值分析

针对竖向着陆冲击过程,开展大量的模拟月壤室内单元体试验,探讨模拟月壤材料参数的确定方法和取值范围.将着陆器按月地相似比尺简化为冲击筒体,建立着陆器足垫垂直冲击模拟月壤三维动力有限元模型,模拟分析在冲击荷载作用下的足垫轴力、速度和位移的实时动力响应,与室内模型试验结果进行对比,验证了该模型的合理性. 计算表明：场地塑性区域呈形状变化的椭球,影响主要分布在2.0～3.0倍最大足垫直径深度范围内,撞击变形呈盆底形,速度响应滞后于轴力,位移响应滞后于速度.     

Analysis and comparison of three leg models for bionic locust robot based on landing buffering performance

Good landing buffering performance can reduce impact and vibration for the bionic locust jumping robot; thus, a landing buffer is important in evaluating the motion performance of the bionic locust robot. In particular, the legs of the robot are the main structures that realize the buffer; thus, its structure affects buffering performance. Three typical leg structure models are established based on the physiological analysis of the locust leg and research status, namely, bionic leg, multi-constraint leg, and arc legs. Kinematic and force analyses are conducted for these types of legs. Particularly, flexible deformation of leg link is considered in the analysis to describe the movement process accurately. In order to compare the buffering performance of these types of legs quantitatively, the performance indices with maximum buffering distance, the energy absorption capability, and the mechanical property are presented. Based on the performance indices, the structure parameters are analyzed and optimized. The buffering performance of the three leg structures is compared with the comprehensive performance of different structures in each best state. This study offers a quantitative analysis and comparison for different legs of bionic locust jumping robot based on landing buffering performance. Furthermore, a theoretical basis for future research and engineering applications is established.     

Optimum design of lander structure based on finite element method

Three kinds of possible structures of legged lander including monocoqe, semi-monocoqe and space frame are compared, and the lightest space frame structure is selected as the lander’s structure. Then, a new lander with four-legged truss structure is proposed. In the premise of ensuring that the main and assistant structures of landing legs are not changed, six possible lander body structures of the new lander are put forward. Taking the section size of each component of lander as design variables, and taking the total mass of the structure as the objective function, the six structures are analyzed by using the software Altair. OptiStruct and the results show that the mass of the basic structure is the lightest, and it is selected as the final design scheme of lander due to its simple structure and convenient manufacture. The optimization on the selected lander structure is conducted, and the detailed results are presented.     

月球航天探测和月球测绘

19世纪60年代以来的几十年中,人类一直试图发射航天器对月球以及月球的远月面进行探测.美国和前苏联发射了各类月球探测器达70余个,对月球进行探测,至今已经完成了对月球重要的地学勘查,其中包括对全部月面的地形测绘和月球重力场测定.本文对月球航天探测的主要情况作了回顾,并概要介绍了月球地形测绘和月球大地测量.