探月工程大揭秘由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“工程大揭秘”。
嫦娥三号工程可靠性概述
由于仅仅已知探测器在软着陆起始点到月心的距离r0 和探测器的初始速度以及初始质量m0 , 而软着陆起始点另两个空间位置信息α角与β角的初始值α0 与β0 未知,因而令α0 与β0 为系统待定参数,则系统初始状况可以表示为
那么问题2 转化为如下问题: 问题3 在系统(6)满足约束并且初始条件如式(9)的情况下,求取适当的控制变量u
^(s)使指标函数(7)达到最小。再由
可知,问题3 将最初的探月飞行器软着陆最优控制问题转化成了优化静态控制参数{σp;以及系统参数α0 ,β0 ,tf 的问题,利用经典的参数优化算法即可求出登月飞行器的软着陆最优控制的一组逼近解和软着陆最优初值点位置以及终端时刻。利用此算法,增加时间的分段点个数可以重新优化,经过多次优化后即 可得到满意精度的参数化解。
此外,假如令系统(1)中的推力F 为已知的恒定推力,令控制变量u = [;Ψ]T , 则本文问题变为恒定推力下软着陆最优控制问题,依然可以利用
本文方法解决,而依据极大值原理结合传统的打靶法则只能解决恒定推力的情况,因而相比之下本文方法适用性更广。3 数值仿真
设探测器初始质量m0 = 600 kg;制动发动机最大推力Fmax = 1500 N ,比冲C = 300 ×9.8 m/ s;初始速度VxL0 = 1115 m/ s , VyL0 =49.[WANG Da2yi, LITie2shou, MA Xing2rui.Numerical solution of TPBVP in optimal lu2nar soft landing[J ].Aerospace Control , 2000 , 3 : 4442.[WANGJie , CUI Nai2gang , LIU Dun , LI Jun2feng.Study on soft2landing trajectories of constant2thrust2amplitude lunar probe [J ].High Technology Let2 ters , 2003 , 13(4): 391059.[WANGJie , LI Jun2feng , CUI Nai2gang , LIU Dun.Genetic algorithm optimization of lunar probe soft2landing trajectories [J ].Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2003 , 43(8): 1056812.[ ZHUJian2feng , XU Shi2jie.Optimization of lunar soft landing trajectory based on adaptive simulated annealing genetic algorithm[J ].Chinese Journal of Aeronautics , 2007 , 28(4): 806481.[DUAN Jia2jia, XU Shi2jie, ZHUJian2feng.Optimization of lunar soft landing trajec2tory based on ant colony algorithm [ J ].Journal 2008, 29(2): 476103.[ SUN Jun2wei, QIAO Dong, CUI Ping2yuan.Study on the optimal trajecto2 ries of lunar soft2landing with fixed thrust using SQP method [ J ].Journal of Astronautics , 2006 , 27(1):9932.[WANG Ming2guang, PEI Ting2guo, YUAN Jian2ping.Legendry Pseudospectral method for rapid lunar soft2landing trajectory optimiza2 Tion [J ].Chinese Space Science and Technology, 2007, 27(5):271466.[ ZHOU Jing2yang ,ZHOU Di.Precise modeling and optimal orbit design of lunar modules soft landing[J ].Journal of Astronautics, 2007, 28(6): 1462163.[ XI Xiao2ning , ZENG Guo2 qiang, REN Xuan , ZHAO Han2yuan.Orbit Design of Lunar Probe [M].National Defense Industry Pre, 2001: 160792.[11 ] Teo KL , Goh CJ , Wong KH.A Unified Computational Approach to Optimal Control Problems [M].England : Longman Scientific and Technical, 1991.[12 ] Lee H WJ , Teo KL , Jennings L S.Control parameterization enhanc2 ing technique for time optimal control problem[J ].Dynamical Syst 2004年，我国探月工程得到国务院正式批准立项，分“绕、落、回”三期分步实施。
“嫦娥三号”任务作为二期工程的主任务，是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和巡视探测活动，是探月工程“绕、落、回”三步走中承前启后的关键一步。
为实现月面软着陆，我国成功开发了新型航天平台——着陆探测器，采用了梁板复合式结构设计和可大范围伸缩的四腿式着陆缓冲机构，设计了自主式、高精度的分段减速悬停式无人着陆控制方案。着陆探测器搭载的“月面巡视探测器”，是在月球表面行驶并对月球进行考察、收集和分析样品的专用车辆，公众习惯称之为月球车。
“嫦娥三号”月球车原车设计质量140kg，由移动、结构与机构、导航控制、综合电子、电源、热控、测控数传和有效载荷共8个分系统组成，以太阳能为能源，能够耐受月表真空、强辐射、+150℃～-180℃极限温度等极端环境。
从月表的路况上看，月球重力是地球的1/6，月球表面的土壤非常松软，而且崎岖不平，石块、陨石坑遍布。在这种情况下，月球车既不能打滑下陷，还要能爬坡越障。“嫦娥三号”月球车移动分系统，采用轮式、摇臂悬架方案，由车轮、摇臂和差动机构等组成，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20°爬坡、20cm越障的能力。
从地月距离上看，由于相距38.4万公里，通讯距离太远，月球车必须具备独立处理各种环境的能力。“嫦娥三号”月球车上导航控制分系统，携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可以通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动与监测安全，保证到达目的地。从月球昼夜周期上看，月球上一天的时间相当于地球上的27天略多，因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。“嫦娥三号”月球车电源分系统，由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成，利用太阳能为车上仪器和设备提供电源，不仅可以保证月球车白天连续工作相当于地球的14天，而且由于月夜无法通过光能发电，在月球车进入休眠状态后，过了14天还必须能够自动唤醒重新工作。从月球昼夜温差上看，月球表面白昼时温度高达150℃，黑夜时低至－180℃，温差超过300℃，尤其是月面上的昼、夜时间差分别长达约14天，必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。“嫦娥三号”月球车热控分系统，利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时的舱内温度控制在+55℃～-20℃之间。此外，“嫦娥二号”月球车组成还有：结构与机构分系统，由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成，主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台；综合电子分系统：将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化，采用实时操作系统，实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能；测控数传分系统：保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆探测器之间通信；有效载荷分系统：主要是月球车配备的科学探测仪器，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。当“嫦娥三号”完成发射、飞行到达月球时，着陆探测器采取不同制导方式，从距月面15公里处开始动力下降，经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段，实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。
着陆探测器实现在月球表面软着陆后，首先由着陆器为月球车充电，对月球车进行初始化；之后，月球车与地面建立通信链路，控制连接解锁机构解锁，走上转移机构；在此之后，着陆探测器将控制转移机构运动到月面，月球车驶离转移机构，开始3个月的月面巡视勘察。在月面巡视勘察过程中，它可以利用相机对周围环境进行感知，并将数据传回地面；地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划，并对规划进行运动仿真和验证；把通过验证的控制指令再上传给月球车，月球车将执行控制指令，并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划，利用携带的仪器进行科学探测；对于给出的任务计划，还可根据具体情况选择地面操作模式或者自主运行模式。
根据科学探测的需要，以上过程循环往复。依靠先进的设备，“嫦娥三号”月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像，对月表进行红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等。它传回来的数据，将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。
嫦娥三号可靠性指标
落月虹湾面临未知新世界
与美国、苏联月球探测主要集中在月球赤道附近不同，中国的嫦娥三号选择在虹湾区着陆。对虹湾的探索将填补月球研究的空白，但对于嫦娥三号来说，这也是一个崭新的、充满未知的世界。“尽管虹湾宏观上相对平坦，但是最后嫦娥三号降落的小环境到底是怎样的地形地貌，还是未知数。”中国探月工程总设计师吴伟仁说，石头、壕沟、斜坡等都是嫦娥三号面临的巨大考验。
为了能让嫦娥三号“落”得安全，嫦娥二号已经为三号的平稳着陆打了“前站”：它用CCD立体相机对虹湾进行了局域超高分辨率立体成像，获得了分辨率约为1米的图像。
这是中国航天器首次“降临”地外天体。为了保证着陆安全，技术人员还在地面模拟月面环境特性，进行了大量点火、避障、缓速下降的试验。
新技术新产品等待登月考验
月球上没有大气，着陆方式与在地球上完全不同，传统依靠空气摩擦减速的火箭发动机和推进系统在月球上不再奏效。
“为此，我们首次使用了我国自主设计制造的变推力发动机。”吴伟仁说，发动机具有1500牛到7500牛的大推力变化，能够很好地适应不同飞行阶段对发动机推力的需求。
这是我国首次将变推力发动机应用于航天器。“变推力发动机没有备份，又是首次使用，其中也存在风险。”嫦娥三号探测器系统首席科学家叶培建院士说。据叶培建介绍，嫦娥三号80%以上的技术和产品为全新研制，设备和产品本身的风险比相对成熟的产品高。
为了降低风险，技术人员设想了上百个故障，并制定了相应的预案。“我们天天想，走路想、吃饭想，想到一种就排除一种，还要进行实验验证。”叶培建说。
更大运载、更高精度、更加可靠
承担嫦娥三号发射任务的长征三号乙改进型火箭，是长征三号乙火箭的升级版。岑拯介绍，嫦娥三号比嫦娥二号重了1300多公斤，采用该型号火箭首先看重的就是它的运载能力。据介绍，发射嫦娥二号的长征三号丙运载能力为3.8吨，而长征三号乙火箭可达5.5吨。
研制时，火箭的状态参数已经基本确定。后来探测器增重，需要火箭系统再提供30公斤运载能力，研究人员做起了“加减法”：一方面提高火箭的运载能力，另一方面则减轻火箭自重。
航天科技集团嫦娥三号运载火箭系统总设计师姜杰表示，为了让火箭“瘦身”，研究人员将金属瓶子换成碳纤维的瓶子，减掉储箱里边的防晃板，为探测器腾出了10多公斤的载重空间。
除了载重，嫦娥三号发射精度要求也更高。据介绍，相比二号，三号的入轨精度要求差不多高了3倍。为了满足精度要求，研究人员采用了惯导和卫星导航复合的制导技术。“这就好比给火箭装了‘两只眼睛’。”姜杰说，两者结合的制导，完全可以满足嫦娥三号任务对火箭的精度要求。同时由于整个控制系统在设计时器件和设备是冗余配置的，所以控制系统里面某一个设备出现问题仍然可以保证稳定飞行，保证入轨精度。
为满足嫦娥三号可靠性上的更高要求，科研人员还对发动机动力系统和增压输送系统做了大量改进工作。姜杰表示，经测验，长征三号乙改进型火箭可靠性由原来的0.938提高到现在的0.942，而这看似一点点的提升，其实得益于很多新技术的应用。她认为，我国现役的火箭，从当前的发射成功率、发射的密度来看，可靠性应该说基本上达到世界的先进水平。
6套发射方案、摄像头直播飞行
要使火箭和探测器进到发射场顺利发射，客观上要求能够提供多次发射的机会，为此科研人员确定了3天6次发射机会的预案，即提供了6个达到发射要求的窗口。
由于6条地月转移轨道，入轨参数完全不同，整个飞行的轨道也不同。加上发射窗口之间的间隔时间非常短，给研究人员带来了很大的挑战。“6个窗口的设计工作，相当于干了通常卫星发射6倍的活。”姜杰表示，轨道设计人员经过上万条轨道的优化仿真，才设计出3天6条的发射路径。
姜杰表示，因为要保证每一条轨道一个时刻的发射要求，就要把6种状态准备好，使得任何一种状态都可以实现发射。这就涉及系统的很多改动，火箭运载系统最大的工作量就在这里。
“火箭必须在设计的3天中发射出去，如果这3天打不出去就只能等明年了。”姜杰说。
与之前发射不同，嫦娥三号有一个着落的探测器。为此，研究人员为它研制了一个卫星支架适配器和缩紧装置，充当嫦娥三号的座椅，支撑着探测器。据介绍，这个卫星支架适配器直径1750毫米，高度1760毫米。而器件缩紧装置就相当于一个腰带，靠这个腰带把嫦娥三号系住，等到送达预定轨道的时候，再解开系扣。
为了时刻直观地反映火箭飞行的过程，运载火箭系统研究人员还开发了遥测图像传输技术。
据介绍，研究人员在火箭上装了3个摄像头，一个是看助推器分离，然后看一、二级分离，再看二、三级分离，同时通过摄像头还能看到整流罩的分离以及探测器与火箭的分离。另外，还在火箭的三级发动机舱配备了一个摄像头，这样就能看到三级发动机的点火关机。
姜杰介绍，火箭发射关键动作的时时监视非常重要，前两年美国金牛座火箭和韩国罗老号火箭的飞行失利，就是因为分离系统出了问题。而因为没有直接数据，对故障定位过程通常比较艰难，原因也很难查找。有了遥测图像传输技术，实现时时监视，通过视频监视，就能在现场判断哪块没分离好。
岑拯介绍，火箭运载系统运用于嫦娥三号的6项技术，一多半已经经过了飞行的验证，没有经过飞行验证的，研究人员通过地面试验，保证了安全可靠性。
嫦娥三号设计
抓住下降时机要考虑多重因素,既然“开弓没有回头箭”，嫦娥三号下降的时机就很重要。那么，什么时候算是时机成熟呢？嫦娥三号着陆器副总设计师张熇说，这要根据探测器当时的重量、高度、速度等来确定，还要考虑月球引力场作用下探测器轨道的变化。
此外，动力下降需满足三个条件：首先，探测器运行到预设着陆区的上方；其次，确保着陆段及着陆后一段时间内探测器在测控范围之内，与地面通讯有保障；再次，着陆点太阳高度角不宜太高，因为太热的话会损伤元器件。嫦娥三号如何顺利实现软着陆，工程人员动了很多脑筋。从2006年探月二期工程的预先研究工作启动，他们就开始研究月球着陆方案，直到2011年下半年，这个方案才差不多定下来。根据方案，嫦娥三号的动力下降过程分为六个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。
通过主减速段，嫦娥三号距月面的高度下降，速度也大幅降低。随后，调整姿态，来到接近段，初步确定安全着陆区。然后，探测器选择安全着陆点。之后，嫦娥三号缓速下降，安全着陆。“这几个阶段是环环紧扣、步步递进的，都非常关键，任何一个阶段的任务没完成好，都会影响最后的软着陆，甚至造成灾难性后果。”着陆器系统一位副主任设计师说。
避障和着陆最“惊心”
尽管嫦娥三号的软着陆过程被划分成了六段，但实际上，它在这15公里最重要的任务只有两个，那就是减速和避障。“在距月面3公里之前主要是减速，之后的核心目标就是避障和着陆。当然，其间还伴随着调姿。”李骥说。
以前，神舟飞船返回舱返回地面主要是靠空气阻力来减速的。而月球上没有空气，探测器的减速主要靠推进分系统的一台变推力发动机来完成。
避障是最后15公里的一个关键。上世纪六七十年代，苏联和美国曾先后探访月球，不过，这些早期的月球探测器并不具备避障功能，它们或者“盲降”，或者像阿波罗探测器那样由宇航员人眼识别障碍，而不能像嫦娥三号这样自主避障和选择着陆点。
对于嫦娥三号来说，敏感器就是它的“眼睛”。在距离月面几百米时，嫦娥三号首先采用光学成像敏感器观测着陆区，进行粗避障，然后悬停，利用激光三维成像敏感器扫描成像，根据成像情况进行精避障，选择着陆点。
“这是我国的独创，之前还没有任何一个月球探测器使用过这种避障策略，但现在国际上一些先进的深空探测器已经开始使用敏感器避障。”专家说。选择好着陆点后，嫦娥三号缓速下降，并在即将到达月面时关闭发动机，“自由落体”到月球。
着陆腿“对抗”落月冲击力
探测器降落月面时，来自月面的巨大冲击力是其能否安全着陆的最大威胁。为此，嫦娥三号探测器安装了四条着陆腿，它们既有足够的强度，可以承受着陆时的冲击，又使用了新的缓冲吸能材料，具有一定的“柔韧性”，可以确保探测器平稳安全。
嫦娥三号任务对探测器落月时的姿态有较高要求。着陆器姿态平稳，月球车才能顺利从上面下来，执行后续巡视探测任务。大量试验表明，即使探测器落在石块上，或者一边腿在石头上，一边在坑里，只要倾斜度不超过十几度，就不会翻倒。
“黑色12分钟”全凭自主控制
从15公里高度降至月球表面，这惊心动魄的12分钟被称为“黑色12分钟”，嫦娥三号要完全依靠自主控制，完成降低高度、测距、测速、选择着陆点、自由落体着陆等一系列动作。
这期间，人工干预的可能性几乎为零。这是因为落月过程中的每一个动作都非常短暂，安装在探测器上的传感器一旦获得信息，需要探测器作出极快的响应，而38万公里的地月距离以及信号延迟，根本不足以让信息传回地面、再由地面上传指令。
实际上，在世界各国探测器登陆月球或火星的过程中，都有这样一个由探测器自主控制的“黑色”时段。
“中国腿”挑战月面软着陆
尽管采用了先进的制导导航与控制系统，探测器着陆瞬间还是会对月面产生撞击。为了避免设备受到过大的冲击载荷，探测器上使用了一个着陆缓冲分系统，也就是嫦娥三号的4条“腿”。由此，嫦娥三号也成为我国首个有“腿”的航天器。此前其他国家软着陆方式主要有三种：一种是气囊弹跳式，难以满足嫦娥三号探测器重量的要求；另一种是空中吊车式，控制起来很复杂；因此嫦娥三号选择了第三种，也就是腿式着陆。
“着陆缓冲机构主要用于缓冲着陆器的冲击能量，俗称着陆腿。”探测器系统着陆器着陆缓冲分系统主任设计师杨建中用8个字概括着陆腿的特点：强、轻、柔、稳、多、新、全、难。
也就是说，着陆腿要有强度承受冲击和压力，自身轻巧，着陆方式柔和、姿态稳定，能保证仪器设备安全。另外，着陆退还有收拢、展开、支撑的功能，触月时还能发来信号。而作为具有中国特色的新型着陆腿，在实现了技术跨越和团队建设的双丰收的同时，也经历了艰难的开发研制过程。
下降过程中着陆器“暴瘦”2000公斤
中国航天科技集团嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲说，在进入100公里×15公里轨道之前，嫦娥三号的飞行轨迹及轨道控制策略与嫦娥二号基本一致，有较好的继承性。但从距离月面15公里到落月，虽然只有短短11分钟，却是我国第一次探索，难度和风险都非常大。
在这短短的11分钟里，嫦娥三号要将速度从约1.7公里/秒减到几乎为零，飞行姿态调整90度，还要在控制过程中适应随着发动机燃料的消耗，着陆器“体重”从3000多公斤减到1000多公斤的变化。
探测器自主控制能力接受不确定性考验
这段陌生航程的风险还来自于月面的不确定性。“我们对月球的整个情况、月面的地形地貌掌握得不是太清楚，怎样在未知情况下实现软着陆，这是对我们最大的考验。”嫦娥三号总设计师吴伟仁说。由于难度大、风险高，迄今为止，人类开展过的月球探测活动成功率仅为51%，只有美国和苏联完成了13次无人月球表面软着陆。与国际上已经开展的很多探月活动相比，嫦娥三号面临着更大的挑战，在整个下降过程中，探测器的飞行速度、高度、姿态的调整，制导、导航，包括避障和着陆点的选择都由它完全自主控制。
负责导航、制导和控制的是探测器的“大脑”GNC系统，它要和“眼睛”—敏感器、“四肢”—着陆缓冲机构及动力系统等通力配合完成整个着陆过程。嫦娥三号的“大脑”比我国以往的航天器都要复杂，新技术、新产品占比达到了90%。在GNC系统研制过程中，设计人员充分考虑了动力下降过程中可能遇到的问题，并将应对策略编排在软件程序中，使它具备了自主进行故障处理的“智力”。
发动机一旦点火，没有“重新再来”机会 软着陆是一个不可逆的过程。正所谓“开弓没有回头箭”，自从“动力下降”的指令注入，主发动机点火开始，嫦娥三号基本上就失去了“重新再来”的机会，一旦出现问题，人也很难有时间判断故障并及时实施抢救措施。月球的一个昼夜相当于地球的14个昼夜，白天最高温达到150摄氏度夜晚最低则达到-180摄氏度。月面生存热控制系统的关键突破将是重要看点。
“嫦娥三号”各项关键技术已突破，月球车将在月面巡游，着陆器则定点守候。月球车将在月探测90天，抓取月壤放到车内分析，得到的有关数据直接传回地球。月球车巡游的范围可达到5平方公里，着陆器拍摄月球车巡游的图像也能传回到地面。
在研制中，履带式月球车较早被排除，因为月球上像沙子样的月壤颗粒对履带磨损非常厉害。相对而言，履带不如轮子技术成熟。另外，球形“月球车”在操控上不能精确定位转向，控制位置难度更大，也被排除。
也有专家说，在月球车的研制中，模拟月球环境很关键。月球的重力只有地球的六分之一，月壤更松软。如何让月球车不失稳定性、不陷下去，都需要特殊的环境进行实验。该专家告诉记者，国内已有研究机构，在地球上模拟出六分之一重力下的土壤环境。
不仅在设计月球车时会遇到困难，在发射时，航天部门也会对月球车提出严格要求。比如，火箭的运载成本很高，空间有限，这样就要求月球车不能过大过重，要根据火箭的承载能力和空间进行设计。
车轮结构克服翻车
月球重力只有地球的六分之一，表面月壤松软，这要求设计月球车时要避免沉降和翻车。专家姚燕安说，为此，月球车轮上花纹经过特殊处理。
有专家说，因为月球上低重力，月球车更容易颠覆，所以设计时要保证不管遇到什么障碍都要让车轮和月面接触，这样不容易翻车。专家称，月球车遇到难以攀爬的障碍时会选择绕行，这样很少会翻车
被卡时前腿抬起自救
月球上可以预知的障碍有斜坡、台阶、壕沟、松软路面等。姚燕安说，面对这些障碍，月球车一般都是轮腿复合式，在腿前脚的部位安装轮子，类似哪吒脚踩的风火轮。遇坡时，月球车可抬腿爬行，最高爬坡30度，如遇特别艰难地段可绕行。
