行星探测范文

行星探测范文（精选3篇）

行星探测 第1篇

小行星探测是深空探测研究及应用的重要目标,对于太阳系和生命的起源演化研究有特殊作用,也可促进地球防护空间科学和空间技术应用的发展,为更远距离的深空飞行探测关键技术提供验证[1]. 目前美国、日本等曾成功进行过数次小行星探测,其他国家也已开展相关技术论证及研究[2]. 如果选择小行星主带中的星体作为探测目标,则从地球发射所需的速度增量与近地小行星探测相比较大, 从充分利用燃料与时间的角度,选择相互较为接近的多颗不同类型目标完成采样、观测等任务,将会获得更大的科学效益.

深空探测现有的推进方式有脉冲和电推进两种,电推进具有质量小、比冲高的优点,因此更适合深空环境中长时间的轨道转移. 现有对小行星探测电推进轨道设计的研究一般集中在到达和返回阶段,对于多个小行星目标之间的轨迹优化关注较少. 尤其是采样或其他有工作时间约束的任务,需要在交会小行星后停留一定的时间以完成探测工作,与传统的飞越或交会约束又有所区别,在优化计算中需要合理的解决方法. 选择多个小行星作为目标来规划访问方式、次序和轨迹是典型的组合优化问题, 需要从大量小行星中按照给定指标约束筛选出可用的访问序列组合,国际深空轨道优化竞赛曾多次选择该问题作为背景[3]. 现有的求解一般需要两步, 首先通过双脉冲转移来近似有限推力轨道转移,使用分支定界等全局搜索方法以大规模的计算遍历寻找近似最优解[4,5], 其间也可应用类似文献 [6] 的思想进行一些预处理以减小计算量;再对其优化获得最优脉冲转移序列,并转换为有限推力转移轨迹. 转换时以每两颗目标间的脉冲转移时刻及状态作为边界条件求解最优控制的两点边值问题[7,8]. 文献 [9] 给出了求解该问题的同伦算法的详细流程,并研究了引力辅助作为内点约束的计算. 文献 [10] 讨论了飞越内点约束在有限推力整体轨迹优化中的应用.

针对探测器在多个小行星之间转移的电推进轨迹优化问题,本文在文献 [9] 提出的两端固定轨迹优化同伦算法基础上,将首先对任务时长固定但出发窗口可滑动的情形进行讨论;然后利用内点约束建立探测器多目标访问整个区间的最优控制问题,将各类访问方式的约束统一考虑,特别地提出交会后有停留时间约束的内点解决方法,对序列内的小行星访问时刻及控制率进行整体的优化,以在控制计算量的情况下进一步优化燃料消耗.

1 问题描述与分析

本文不考虑发射和返回轨道设计,假设探测器已到达某小行星并开始执行探测任务. 通过全局搜索获得了一组可行的小行星探测序列,其中包括选择的目标小行星,访问方式 (包括飞越、交会和交会会停留一定时间等) 以及到达各目标的粗略时刻 (这类全局搜索算法不是本文的重点,相关内容可参见文献 [5-7] 等). 这里假设有N个目标,探测器访问每个目标的近似最优时刻分别为ti,则本文的目标即获得t1到tN之间的最优转移轨迹.

为了获得有限推力的最优轨迹,需要利用上述近似初值进行优化. 最简单的方式为按照全局搜索的近似时刻进行分段优化,将其拆分为若干个两端状态固定的最优控制问题,分别求解获得前后每两个小行星之间的最优轨迹后拼接在一起. 显然这种方法与最优解存在一定的差距,因为全局搜索为了减少计算量一般需要使用双脉冲转移轨道来近似有限推力转移,得到的近似最优时刻并不是真正意义上的最优. 所以需要对访问目标小行星的时刻进行优化,使得每一段有限推力轨道拼接在一起后整体的燃料消耗最少. 根据文献 [9] 的论述,即使是最简单的两端状态固定的有限推力最优控制问题,使用同伦算法进行求解也需要一定的时间. 如果采用组合优化方式,将目标访问时刻作为优化量,再分段求解最优控制,使拼接后的燃料消耗最优,则需要对每一个转移弧段进行大量重复计算,优化速度难以保证. 如果将首尾两颗小行星目标约束作为起始和终端状态,中间的小行星作为内点约束,建立整体的最优控制问题,则只需一次求解即可获得完整的最优解.

2 两端状态固定的有限推力最优控制问题

首先给出两端状态固定的有限推力最优控制问题求解算法. 使用日心二体模型,将动力学状态归一化,得到日心引力场无量纲动力学方程

其中,r和v分别为位置、速度矢量,m为质量, [r v m] 即方程的7个状态量 (下文将该矢量记为x),已使用基本量纲进行归一化. 基本量纲单位RUnit设为1AU (1.495 978 70×1011m),TUnit设为3.16×107s (365.25×86 400 s),mUnit设为航天器初始质量m0,则其他常数及单位的归一化可由量纲分析得到;α = [αXαYαZ]T为推力方向单位矢量,u ∈ [0, 1] 为推力控制量为推力幅值归一化的最大幅值,为燃料消耗率,µ 为归一化后的引力常数.

对于两端时刻 (t0,tf) 和状态固定的轨道转移问题 (见式 (2)),文献 [9] 已根据极小值原理得出最优控制率的求解方法

其中,r0, v0表示初始的位置速度,rf, vf表示末端的位置速度.

首先建立同伦归一化性能指标

其中,参数 ε 连接着燃料最优 (ε = 0) 和能量最优 (ε = 1),能量最优相当于连续最优控制,所以它比燃料最优控制更容易求解. 一旦获得能量最优问题的解,让参数 ε 逐步减少,最终可以得到燃料最优的解. λ0为一个正数乘子.

列写哈密顿函数

其中 λ = [λrλvλm] 为状态量的协态变量,根据极小值原理和变分法得

可见为了使哈密顿函数取极小,最优推力方向必须满足

相应的推力大小为

其中

称为推力开关函数. 协态变量满足的规范方程和边值条件为

综上,需要求解8个未知量 ,使得终端 状态满足 如下打靶 函数 (式 (10)),其中 λ0的作用是作为乘子将幅值限制在1以内,以减小猜测协态变量初值的难度.

求解策略为首先通过随机猜测,计算 ε = 1时满足能量最优的初值 (含 λ0),然后逐渐减小 ε,并将上一步获得的解作为当前初值循环求解,直至得到 ε = 0时的燃料最优解和控制率.

3 考虑时间窗口可滑动的情形

多数情况下在保证任务时间满足约束时对出发时刻进行一定的调整,会使得任务所需燃料发生较明显的变化. 为了寻找最佳出发时刻,本节在第2节的基础上,对这类时长固定,但起始时刻自由的两轨道间转移问题进行研究. 由于起始时刻可自由滑动,故状态量不再是固定的,而是随时间变化的约束. 其两端条件可描述为

其中,∆t为给定常值,r1, v1表示初始轨道位置速度,r2, v2表示目标轨道的位置速度. 设

根据变分法,式 (5) 中需要增加t0的变分 (且 δt0= δtf),以及x (t0) 和x (tf) 的变分,然后改写为 (µ1, µ2为约束方程的乘子,下文中的 χ 同理)

记

则协态变量在起始时刻应满足条件

同时汉密尔顿函数在起始时刻的取值应满足

其中可由动力学方程计算. 其他条件不变,则未知量增加1个t0.

打靶函数同时增加1个 (式17)

4 多小行星访问的内点约束处理

然后考虑探测多颗小行星的整体轨迹优化问题. 将整个序列的起始轨道和终点轨道作为式 (11) 描述的起始和终端约束,中间目标作为内点约束.

设中间目标个数为n,则对应的中间时刻有n个

若第i个探测目标形式为飞越,则约束可表述为

其中target上标表示交会目标的位置、速度. 而交会约束可表述为

上述两种约束处理方法相同,区别在于飞越仅考虑位置约束而交会同时考虑速度约束,设式 (19) 或 (20) 的约束为 ψ,则式 (5) 中需增加ti, r(ti), v(ti) 的变分

则可以看到在内点ti时刻 (“+” 和 “–” 上标分别表示ti前后瞬时) 协态变量和汉密尔顿函数应满足

即对于每个飞越内点,需增加4个未知量 (ti和 χ) 和4个打靶方程;对于每个交会内点,需增加7个未知量 (ti和 χ) 和7个打靶方程.

对于交会后停留给定时间 (∆d) 的问题,由于停留期间探测器无控制,可略去停留间隔将其等效地描述为内点约束的状态跳变:即在本文的最优控制问题中,ti-与ti+为同一时刻,ti-时到达目标,ti+时飞离目标,但是探测器对应ti+时刻的状态应等于交会目标实际在ti+∆d时刻的状态. 每经过一个内点,求解问题中的时间比实际时间向前跳变 ∆d, 以此避免直接对u约束 (过程约束) 使得优化计算过于复杂的问题. 而且这种处理方法与其他类型内点约束类似,可按照实际任务规划的需求混合使用.其描述如下

约束方程有12个,经过重新推导,式 (5) 应增加的项为

因此在内点ti时刻协态变量和哈密顿函数应满足

即对于每个交会后停留给定时间的内点,需增加13个未知量 (ti和 χ1, χ2) 和13个打靶方程

需要说明的是,λ ti+= -χ2不列入打靶方程,因为可由猜测的 χ2直接得到 λ ti+作为ti+时刻向后计算协态变量的初值.

综上,只要给定探测器访问的小行星顺序以及访问的方式,即可按照式 (22),式 (26) 增加对应的内点约束未知量及打靶方程即可,对小行星数量没有限制. 设某一序列中需要飞越m个目标、交会j个目标、交会并停留k个目标,则对应的整体最优控制问题需要增加的未知量和打靶方程个数N为

结合第2, 3节的算法,可计算得到燃料最优的起始时刻及各内点访问时刻.

5 计算实例

以GTOC7(7th Global Trajectory Optimization Competetion, 第7届国际深空轨道优化竞赛) 题目的一个子问题为例,其目标为在固定时间内探测不同小行星并执行任务次数最多. 不考虑探测器从地球发射至小行星带所需速度增量,假设已使用大推力运载器采用脉冲转移方式将探测器运送至与某颗小行星交会作为任务起始时刻. 任务时长不超过6年,探测器在与每颗小行星交会后要至少停留30天以完成采样、科学实验等作业. 探测器初始质量为2 000 kg (其中燃料1 200 kg,干重800 kg),电推力发动机比冲3 000 s,推力0.3 N.

首先通过双脉冲近似拼接轨道方法搜索得到一组可行序列如表1 (其中MJD为简化儒略日).

由于飞越和交会约束已在其他类似文献中有所讨论,本文序列中所有的访问方式均取为交会后停留30天,这也是为了最大程度验证算法的性能. 双脉冲近似分段最优解与本文得到的整体最优解比较如表2. 近似最优时刻为lambert双脉冲转移分段拼接的起始时刻,由差分进化算法计算. 本文的整体优化计算结果基于第3, 4节算法,共有10个内点需要打靶139个未知量,内点时刻和初始时刻可以取为脉冲近似最优时刻,协态变量需要猜测. 求解使用Min Pack优化工具包,最终计算时间约为15 min.

本文算法得到的最优轨迹与控制率如图1 ∼ 图4所示. 图2 ∼ 图4中横轴的时间为实际时间,根据第4节的描述,求得的最优解实际上不包括每一次交会后停留的30天 (即图中深色区间, 10个内点相当于时间减少了300天),需要在每一个最优内点时刻后添加30天以对应实际时刻. 从图2推力幅值变化可见,最优推力在每一段经历开机—关机—开机的两 次切换 ,某些弧段 关机时间 为零(极限情形 为一直满 推),如果使用 人工调整 或第一节 提到的组 合优化算 法 ,寻找整体 最优解将 十分困难. 图3为最优推力矢量的3个分量变化,同时也反映了协态变量在内点时刻的跳变 (与式 (25) 一致). 图4为探测器质量的变化,最终剩余燃料50 kg左右.

综上,小推力燃料最优解的交会时刻与脉冲转移相比有较大差别. 如果按照脉冲最优时刻分段各自转化的燃料消耗则不能获得整体最优解,且可能出现某些弧段无法转化的情形 (与脉冲近似的参数设置有关,例如转移时间过短使探测器以有限推力方式无法到达),需要手动调整前后时刻.

6 结 论

美国未来十年行星探测规划 第2篇

兰德里乔立夫说：“科学引领、共同参与、透明公开将是NASA未来十年在行星探索领域的三个指导原则。”

2013年至2022年，NASA行星探测计划包括行星任务、各项任务数据分析、太阳系行星基础性研究、科技发展、公共教育与科学普及等五个方向。其中，太阳系行星基础性研究包括太阳系行星的演化、行星的生命迹象以及星际之间的相互作用等三个研究主题。

目前，技术挑战仍是NASA进一步行星探测所面临的主要问题，如何更有效地保证太阳能供给、更有效地进行光通信以及采集行星标本都是未来需要解决的技术难题。

“科技发展是保持行星探测项目活跃发展的基础，我们要建立行星探测科学发展项目，并且将NASA全部行星科学预算资金的6％到8％投入到这个项目中。”乔立夫说。

行星探测计划将成立以史蒂芬。斯奎尔斯为主席的行星科学委员会，下辖太阳系行星研究小组等五个研究小组。

2011年3月7日，美国国家科学研究委员会(NRC)发布《2013-2022年行星科学的愿景与旅程》报告。此报告是NASA和国家科学基金(NSF)提出的需求，是要评估美国行星科学的现状，并制定出一个全面的战略以在未来+年继续取得进步。在与广大行星科学团体广泛交流的基础上，此报告提出了一个有可能促成革命性新发现的科学与探索十年计划。十年计划得到了全美行星科学家的广泛参与。共有1669位科学家通过独立或者合作的方式向委员会递交了199份白皮书，这些白皮书是+年内主要的探测任务。基于这些白皮书与科学界的其他意见，有25项科学任务已经被列入进一步研究的计划。探索任务根据难易程度被划分为“发现型”、“新边界型”与“旗舰型”三类。其中，“发现型”探索任务规模最小，每项研究花费在5亿美元左右，10年期间可以进行4～5次任务；“新边界型”任务规模适中，每项任务的花费在10亿美元左右，十年期间可以进行两次；“旗舰型”任务所需投人经费颇多，十年期间可以进行一次研究。

行星探测车车轮牵引特性试验台设计 第3篇

月球探测车在松软月面的牵引通过性是中国探月二期工程月面巡视探测器研制中重要的研究内容。国内一些学者利用地面力学理论和数值方法对月球车的牵引通过性进行了初步分析[1,2,3],但这些分析无法替代实际地面验证试验,月球车车轮在松软土壤上的牵引性能需要依靠科学试验进行检验。

在深空探测领域较早开展研究的国家(如美国和日本)都研制有轮土交互作用试验台。美国麻省理工学院设计的行星探测车轮土交互作用试验台可用于地形参数在线评估方法的研究[4];日本东北大学的单轮试验台可应用于探测车刚性轮在松软土壤上的转向特性的分析研究[5]。吉林大学也自行设计了土槽-被试轮试验系统,对刚性轮和带齿轮的牵引特性进行了测量[6]。结合探测车行走机构的研制需要,我们独立研发了行星探测车车轮牵引特性试验台,并进行了初步的轮土交互作用试验,检验了试验台的设计功能。

1 试验台的设计原则

本试验台的研究对象是行星探测车用车轮。行星探测车用车轮的结构精密、直径较小、外形多变,这些特点在试验台的设计中要充分考虑。试验台主要由土槽体、机械系统、传感器、数控系统四部分组成。土槽为轮土交互试验研究必备的专用设备,具有影响因素可控、试验重复性好、采集数据准确可靠等优点。结合研究需要,试验台的设计原则如下:①使试验轮工况与实际行走相接近(重力条件暂时无法创造),尽量降低系统阻力;②合理布置相关传感器以进行精确测量;③满足不同种类科学试验的需要;④简单易行,便于制造、维护,工艺性好;⑤易于操作,工作安全,经济实用,使用可靠。

2 试验台的整体结构

根据设计原则,参考国内外相关试验台的设计,最终确定了本试验台的结构方案,如图1所示。试验台的整体尺寸为3m×1.195m×1.1m,槽钢框架固定在土槽体上,台车在水平导轨上移动。台车采用侧面布置的方式,便于车轮的安装和水平角度的观察。土槽一端布置了牵引加载装置,可以通过悬挂一定质量的加载用砝码进行固定牵引载荷的加载,也可以用具有一定刚度的弹簧连接试验车轮进行变化牵引载荷的加载。

土槽体为槽钢框架,由10mm厚的钢化玻璃镶嵌而成,用于观察土壤颗粒流动的情况。土槽内装有自行配置的模拟月壤,它是利用吉林靖宇一带的火山灰喷发物质经过曝晒、粉碎、研磨、掺入金刚砂等工序配置而成的,其物理特性和力学特性与典型月壤特性相近,可用于轮土交互试验研究。

图2为试验台车的结构示意图。台车系统是机械部分的关键部件,台车的移动是通过固连在台车上的齿形带的牵引实现的,齿形带在槽钢两端绕过两个滑轮。水平电机(MAXON-RE40)驱动滑轮,牵引台车系统沿着固定在槽钢支架上的直线导轨水平运动。试验前可在台车侧面加减配重来调节试验轮的垂直载荷。车轮电机(MAXON-RE40)用于驱动车轮旋转,从车轮电机的编码器(HEDL-5540)可以获知车轮的转速。车轮连接端的六分力传感器(Smart300定制)用来测量车轮法向载荷、挂钩牵引力和车轮转矩。滑轮上装备旋转编码器(ISC3806-003G-2500BZ1-5-24F),用于计算台车的水平速度。车轮的垂直下陷由固定在台车上的垂直电位计进行检测。槽钢框架两端都布置有红外线接近开关(E3F-DS30C4),控制台车自动停止运行。试验台还可以布置高分辨率摄像头(Uniq UP-800)对轮土交互作用中土壤颗粒的流动情况进行拍摄记录。

3 试验台的测控系统

在试验台测控系统中,控制对象为台车水平运动驱动电机和试验轮驱动电机。由上位机完成台车运动方向和速度、车轮的转动方向和转速的设定,设计了独立的电机控制器,以电机编码器采集的脉冲信号作为反馈输入信号,对电机的运转速度进行闭环控制。根据采集信号的种类和特点,分别制作了数据采集板对力、转矩、位移、脉冲、接近开关等信号进行采集,并在工控机中实现数据的存储和处理。

为了更为有效而可靠地对各个系统进行控制和信号采集,本试验台采用CAN总线技术,利用SJA1000型独立CAN控制器,将计算机、传感器模块、电机控制系统等分别作为一个节点接入CAN总线,以实现各系统之间的互联。图3为测控系统示意图。

试验台测控系统软件能够设置车轮运行参数,实时显示测量数据,并通过可视化曲线观测特性参数的变化趋势,从而进行直观的对比分析,初步判断试验的有效性。试验结果可以输出到Excel文件中。测控系统利用C#语言开发,测控系统软件的流程如图4所示。CAN总线技术的特点使得测控系统软件具有良好的可扩展性,对新加入的传感器节点进行处理非常方便。

4 试验台技术参数和功能

试验台可以进行不同轮齿类型车轮试验,其主要技术指标见表1。

利用试验台,可进行以下研究:①评价不同轮齿类型车轮的牵引特性,进行车轮结构优化;②分析轮土交互中土壤的动力学行为;③发展车轮滑转率的控制算法;④对比不同土壤参数下的车轮牵引性能;⑤进行小型探测车整车通过性的验证试验。

5 典型试验结果

加工了三种试验用钢结构车轮:光轮、筛网轮和带齿轮。车轮直径为220mm,在光轮表面覆盖铝网可制成筛网轮,光轮上安装轮齿可制成带齿轮。所用的轮齿齿高为25mm,齿厚为2mm。安装履齿个数可为9齿或18齿(图5中带齿轮为9齿)。试验前进行土壤的疏松、压实和刮平。通过土力学仪器测量和调整控制模拟月壤的孔隙比在0.8~1.0之间,然后开始进行试验。

图5所示为车轮垂直载荷为130N,车轮电机主动,车轮转速为5r/min的情况下,测得的三种车轮的挂钩牵引力Fd随滑转率Sr变化的拟合曲线。车轮滑转率的定义为

Sr=1-v/(rω) (1)

式中,v为台车线速度;r为车轮有效半径;ω为车轮角速度。

由图5可见,随着滑转率Sr的增大,三种车轮的Fd值都随之增大。在相同Sr的情况下,带齿轮的Fd值最大,体现出轮齿的拨土作用对Fd的贡献。因车轮转速较低,筛网轮和光轮在低滑转的情况下Fd值相差不多,但达到高滑转率时,筛网轮显示出其表面摩擦因数大的优势,Fd值有明显提高。

图6所示为车轮垂直载荷为130N,车轮电机主动,车轮转速为7.5r/min的情况下,筛网轮的挂钩牵引力Fd和车轮垂直下陷量Z随牵引距离L的变化曲线。随着牵引距离的增大,弹簧施加的牵引载荷也越来越大,所测的Fd值也在不断增大。另外,在最初行驶阶段垂直下陷量较小,当达到一定行驶距离后下陷量迅速增大,这是因为最初行驶阶段车轮滑转较小,车轮正常运行,下陷较小;当车轮运行到一定距离后,为产生更大的牵引力来克服牵引载荷,车轮滑转明显增大,呈现明显的掘土行为,导致车轮下陷量急剧增大。

图7所示为带齿轮运行后的轮齿轨迹。其中,图7a和图7b分别是带齿轮以70%和20%的滑转率运行过后的轨迹,可以观察到车轮以高滑转率驶过后因轮齿触土较深、掘土严重,土壤被扰动的程度变大。图7c所示为变牵引载荷下带齿轮滑转率逐步增大引起的土壤破坏的情况,可看出,车轮发生严重滑转时会失去向前行驶的能力,车轮动态下陷量骤增,车轮后方严重积土。

(c)滑转率Sr持续增大

6 结语

研制了行星探测车车轮牵引特性试验台,用于分析轮土交互作用、测量探测车车轮的牵引性能以及发展滑转率控制算法。利用商业传感器对车轮的垂直载荷、挂钩牵引力、车轮下陷量、车轮转速等相关参数进行测量,分析了轮土试验数据,验证了试验台的设计基本满足车轮牵引特性和轮土交互作用试验研究的需要。

在嫦娥一期工程取得圆满成功、二期工程正式立项的大背景下,行星探测车车轮牵引特性试验台的建成为深空探测车行走机构的设计和优化提供了重要的试验手段。

参考文献

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