彭玉明 李 爽 滿益云 徐 波

(1 南京航空航天大學 航天學院,南京210016)

(2 北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

近年來,隨著航天技術的不斷發(fā)展,人類逐漸把目光轉(zhuǎn)向外太空?；鹦亲鳛榫嚯x地球最近的行星之一、且與地球有很多相似之處,成為人類深空探測的首選目標星體。目前世界各航天大國都在積極開展火星探測,美國、歐洲、俄羅斯、印度等國均已宣布了各自的火星探測或月球探測計劃,中國也在有條不紊地推進自己的火星探測。

目前有多個火星探測任務在緊鑼密鼓的準備當中,其中比較有代表性的是NASA計劃2011年發(fā)射的“火星科學實驗室”(Mars Science Laboratory,MSL),其主要任務是分析火星土壤和巖石的有機成分,收集火星地表、大氣環(huán)境數(shù)據(jù),尋找是否有生命存在的跡象。“火星科學實驗室”是人類開展火星探測以來著陸質(zhì)量最大、高程最高的探測器,它將首次采用“阿波羅”飛船式的進入制導、新穎的“空中吊車(Sky Crane)”著陸方式以及復雜的軌跡、姿態(tài)制導控制系統(tǒng)。

美國從20世紀70年代開始進行了多次火星探測活動,掌握了大量火星表面大氣、環(huán)境數(shù)據(jù),積累了豐富經(jīng)驗。因此詳細了解“火星科學實驗室”的任務目標以及導航、制導與控制技術方案有助于我國火星探測計劃的實施。

2 任務需求與挑戰(zhàn)

2.1 任務需求

自從2004年“勇氣號”、“機遇號”取得巨大成功后,為了更深入研究火星環(huán)境、尋找是否有生命存在,NASA開始著手研究著陸質(zhì)量更大,探索范圍更廣,使用壽命更長的探測器。根據(jù)已公布的設計方案,“火星科學實驗室”將采用核動力提供能量,攜帶10余種科學儀器,能夠攀爬60°的斜坡,活動范圍達20km,因此其質(zhì)量和體積都比以前的探測器大得多,有效載荷達到850kg,進入質(zhì)量更是超過3 000kg?！盎鹦强茖W實驗室”繼承了“海盜號”的70°圓錐氣動外形和升力體構(gòu)型,由防熱罩、火星車、下降平臺、后擋板、巡航平臺5部分構(gòu)成,見圖1?！盎鹦强茖W實驗室”對著陸高度和精度的要求比以往任何任務都要高的多。表1和表2中的數(shù)據(jù)說明著陸高度與精度對著陸區(qū)(點)的選擇有很大影響。高度在0km(火星軌道器激光測高,下同)以下的區(qū)域只占火星表面積的 51%,而2km以下的卻達到90%,面積的增大意味著可供選擇的著陸點個數(shù)也越多;同時,著陸誤差也影響著著陸點個數(shù),著陸誤差越大,可供選擇的著陸點越少[1-2],而且從安全性的角度考慮,著陸精度越高越好。因此,為了盡可能地擴大探索區(qū)域,“火星科學實驗室”對著陸精度和高度要求大幅度提高,要求著陸極限偏差不超過10km,著陸高度不低于2km。

圖1 “火星科學實驗室”組成部分

表1 著陸點高度對可供選擇的著陸器區(qū)的影響

表2 著陸誤差對可供選擇的著陸點的影響

2.2 主要技術難點

火星進入、下降和著陸(Entry,Descent and Landing,EDL)時間雖然很短,卻是整個任務最危險、最重要的環(huán)節(jié)。迄今為止,世界各國已經(jīng)進行39次火星探測,其中15次有著陸任務,僅有7次任務著陸成功。“火星科學實驗室”雖然繼承了一些成熟技術,但是它比以往的任務要求更高,系統(tǒng)更復雜,因此仍然有許多技術難題需要解決。

表3是歷次火星探測飛行任務相關參數(shù)的對比分析,其中,“火星科學實驗室”進入質(zhì)量大,彈道系數(shù)超過110,著陸高度更是達到2 km,這對減速傘和降落傘的氣動減速性能提出了極大挑戰(zhàn)。由于火星大氣密度低,僅僅依靠探測器的氣動外形難以使其減速到亞聲速狀態(tài),降落傘需要在超聲速、低密度條件下打開?！盎鹦强茖W實驗室”的降落傘直徑增加到21.5m,開傘速度Ma=2.2,動壓750Pa,接近降落傘使用極限,對降落傘的強度與飛行性能要求非常高。雖然采用新型尼龍、滌綸、凱夫拉等材料可以解決強度問題,但是速度Ma＞1.5時,降落傘的不穩(wěn)定現(xiàn)象至今仍無法有效的加以解決[3]。

表3 歷次火星探測任務飛行參數(shù)對比分析

實現(xiàn)高精度著陸是當前火星探測亟待解決的技術難題之一?；鹦黔h(huán)境非常復雜,包含很多不確定性因素,如大氣密度、風速、聲速等環(huán)境參數(shù)都會隨季節(jié)、氣候的不同不斷變化,而且其分布與高度有關,例如在20～30km處大氣密度的不確定性是影響探測器的主要因素,而在火星表面0～10km高度水平方向的風是主要的不確定性因素。表4列舉了一部分火星進入過程中涉及到的不確定性因素。另外,經(jīng)過長時間飛行,一些探測器參數(shù)如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心等也會發(fā)生變化[4]。進入段探測器速度高、狀態(tài)變化快、不確定性因素多,無制導的彈道式進入根本無法滿足10km著陸精度要求。

表4 火星進入不同高度所對應的不確定性因素

安全可靠的著陸緩沖方式是著陸成功的關鍵。目前,成功應用的著陸緩沖方案主要有兩種:緩沖支腿和緩沖氣囊,緩沖支腿方式曾多次應用在月球、火星著陸探測器上,技術較為成熟可靠,可以承受較大質(zhì)量,配合導航、制導控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)比較高的著陸精度。但是對著陸點的地形要求高,不能有大的巖石或斜坡,而且為了避免發(fā)動機尾流影響要提前關機,著陸速度比較大。另一種是“勇氣號”和“機遇號”上采用的緩沖氣囊,這種方式雖然簡化了著陸系統(tǒng),但是其有效載荷質(zhì)量比較小,受到結(jié)構(gòu)和材料的限制,沒有辦法應用到大型火星探測器上;同時,這種著陸方式的著陸精度比較低?！盎鹦强茖W實驗室”以及未來的火星著陸任務都要求比較大的有效載荷質(zhì)量和較高的著陸精度,因此,必須采用緩沖支腿構(gòu)型的著陸器。

3 “火星科學實驗室”導航、制導與控制技術

“火星科學實驗室”繼承了已有的成熟技術,如70°圓錐氣動外形、盤-縫-帶降落傘、升力式構(gòu)型、變推力發(fā)動機等,并在此基礎上針對遇到的新問題研究開發(fā)了一些新技術,如進入升力控制和空中吊車著陸方式等?！盎鹦强茖W實驗室”整個EDL過程如圖2所示。

圖2 “火星科學實驗室”EDL過程示意圖

3.1 進入段

進入段是不確定性因素最多、狀態(tài)變化最快、氣動環(huán)境最復雜、對著陸精度影響最大的階段,因此要實現(xiàn)精確著陸任務,高精度的導航制導控制系統(tǒng)是必不可少的。由于此時擋熱板尚未拋離,加之存在較大的通信延遲,所以只能通過慣性測量單元進行航位遞推,初始位置、姿態(tài)等狀態(tài)信息由深空網(wǎng)和星敏感器確定。未來采樣返回與載人登陸等任務要求著陸誤差不超過1km,對進入段導航精度的要求勢必會更高,僅僅依靠慣性測量單元已經(jīng)無法滿足要求,因此必須研究開發(fā)新的自主導航方法,利用火星軌道上潛在的或已有的導航信標資源進行輔助導航是可能的解決方案。

“火星科學實驗室”采用升力式構(gòu)型設計,見圖3。進入前通過彈出配平質(zhì)量,使質(zhì)心偏離中心,在進入段以配平攻角狀態(tài)飛行(圖3中的α為功角),Ma=25時,升阻比約為0.24。“火星科學實驗室”首次采用進入制導,通過控制滾轉(zhuǎn)角改變升力方向以達到控制飛行軌跡的目的。采用升力式構(gòu)型是因為這樣不但可以增加軌跡控制能力,提高著陸精度,而且可以使進入軌跡更加平緩,提高氣動減速性能,降低對熱防護系統(tǒng)的要求[5]。圖4中所示為歷次火星任務進入段的速度—高度曲線。從圖中可以看到“火星科學實驗室”相對于其他的探測器飛行高度更低,由于高度低,大氣密度大,所以阻力和升力都較大,氣動減速性能和軌跡控制能力都有所提高。

圖3 升力式構(gòu)形設計

圖4 歷次任務進入段速度—高度曲線對比

“火星科學實驗室”采用“阿波羅”式的進入制導,整個控制過程可以分為3個階段:1)首先,進入大氣階段。進入大氣層時,由于大氣密度很低,氣動阻力小,控制能力弱,控制效果不好,為了節(jié)省燃料一般固定滾轉(zhuǎn)角不變。這一階段速度變化很小,高度下降卻很快,見圖4。2)隨著高度的不斷下降,氣動阻力不斷增大,當阻力加速度達到1m/s2時進入航程控制階段。該階段的主要目的是消除預測航程誤差?？刂铺綔y器飛到預定開傘點,為了簡化控制系統(tǒng),縱向運動和側(cè)向運動需分開控制?？v向控制滾轉(zhuǎn)角大小使探測器跟蹤標稱軌跡,消除航程誤差,側(cè)向采用滾轉(zhuǎn)角變號邏輯,當航向角誤差超出漏斗形的邊界時改變滾轉(zhuǎn)角符號。3)最后,是航向調(diào)整階段,此時探測器已經(jīng)接近預定開傘點,滾轉(zhuǎn)角變化對航程影響不大,因此不再控制航程,而是最小化側(cè)向誤差,使探測器飛向預定開傘點[6-7]。由于采用的是標準軌跡跟蹤法,初始狀態(tài)誤差和不確定性擾動是影響制導精度的關鍵因素之一,另外,控制能力弱也是影響著陸精度的主要原因,因此,在設計制導與控制系統(tǒng)時需著重考慮系統(tǒng)抗擾動性能。

探測器的姿態(tài)控制是由對稱分布在后擋板的反作用姿控發(fā)動機實現(xiàn)的,其布局如圖5、圖6所示。這些發(fā)動機是常推力的,依靠方向相反的4組發(fā)動機的開與關控制姿態(tài)力矩。在進入段起到軌跡控制作用的主要是滾轉(zhuǎn)通道,通過改變滾轉(zhuǎn)角控制升力方向,俯仰和偏航通道通常用來控制攻角和側(cè)滑角在一定范圍,使探測器可以在配平攻角狀態(tài)下飛行。

圖5 姿控發(fā)動機布局

圖6 發(fā)動機布局

3.2 降落傘下降段

降落傘下降段的難點在于低密度、超聲速條件下的開傘技術。降落傘在超聲速條件下存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定、阻力系數(shù)下降等問題?！盎鹦强茖W實驗室”雖然沿用了曾多次使用的盤-縫-帶降落傘,但是它的直徑更大,開傘速度馬赫數(shù)更高。試驗中發(fā)現(xiàn)當速度Ma＞1.5時,降落傘會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,這與降落傘直徑、傘繩長度、傘型有直接關系。表5列舉了NASA進行的降落傘投放試驗和實際飛行數(shù)據(jù)[7]。

表5 降落傘投放試驗數(shù)據(jù)

擋熱板分離以后,探測器上攜帶的導航設備陸續(xù)開機工作?！盎鹦强茖W實驗室”攜帶了多普勒雷達速度計和傾斜雷達高度計,實時測量3個軸向速度和高度,可與慣性測量單元進行組合導航。但是由于降落傘下降階段探測器姿態(tài)變化劇烈、距地面的高度較高,再加上地形的影響,導致測量精度不高。下一代火星探測器不但要具備精確著陸能力,還必須能夠自主檢測障礙,并進行相應的規(guī)避機動,因此光學導航相機、激光雷達等障礙檢測傳感器是必不可少的,這些傳感器在提供火星表面地形信息的時候,也帶來大量導航信息。目前,降落傘下降階段還不具備制導控制能力,因此有學者提出采用可控翼傘,增加一定的軌跡機動能力,配合水平反沖發(fā)動機實現(xiàn)可控下降[8]。

3.3 動力下降段

當高度下降到1 500～2 000m,速度100m/s左右時后擋板分離,制動發(fā)動機點火開始動力下降。動力下降段狀態(tài)變化比較平緩,導航測量信息多且精度較高,影響著陸精度的主要是制導控制精度。“火星科學實驗室”沿用了“阿波羅”登月艙的多項式制導方法,通過多項式擬合出一條加速度曲線,調(diào)整姿態(tài)與推力跟蹤加速度曲線。兩者不同的是“阿波羅”登月艙是有人的,可以識別障礙并進行相應的規(guī)避機動,而“火星科學實驗室”目前還不具備自主障礙檢測規(guī)避能力。

整個動力下降過程可以劃分為3個階段:動力接近段、常值速度段、常值加速度段。

1)動力接近段主要是為了減小下降速度,消除水平速度。

2)探測器沿著預先規(guī)劃好的軌跡運動到著陸點上空100m處,然后開始以20m/s的常值速度垂直下降,保持固定速度是為了消除高度測量誤差,因為在擋熱板分離以后探測器上雷達雖然開機工作了,但是在降落傘下降階段和動力接近段探測器高度較高,測量精度較差。

3)當高度下降到50m左右時開始以常值加速度下降,下降速度由20m/s減小到0.75m/s,此時探測器距離火星表面約21m,關閉4臺制動發(fā)動機開始“空中吊車”著陸。

動力下降段的姿態(tài)與發(fā)動機控制至關重要,直接影響到能否成功著陸。“火星科學實驗室”的動力下降系統(tǒng)由8個推力范圍從400～3 000N的變推力發(fā)動機組成[5]。推力方向與探測器垂直軸線方向呈一定夾角,這樣布置是為了消除發(fā)動機氣流吹起的巖石灰塵等對火星車和下降傳感器的影響,同時還可以起到姿態(tài)控制的作用。“火星科學實驗室”總共攜帶390kg燃料,其中大部分消耗在動力下降段,表6中列出了動力下降段各階段燃料消耗情況[7,9]。

表6 各階段燃料消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.4 “空中吊車”著陸方案

“火星科學實驗室”采用了不同于以往的著陸緩沖方案——“空中吊車”著陸方式。著陸操作開始后下降平臺保持0.75m/s的下降速度,同時以0.75m/s的速度釋放吊索和火星車,整個吊索全長7.5m。當?shù)跛魅酷尫乓院?繼續(xù)保持0.75m/s的下降速度直到火星車著陸,然后斷開吊索,下降平臺垂直上升一段時間改變姿態(tài)啟動全部發(fā)動機飛走[6-8],具體過程見圖2。這種著陸方式可以保證火星車不受發(fā)動機氣流影響,不需要像“鳳凰號”那樣提前關閉制動發(fā)動機,也不需要設計復雜的緩沖吸能裝置,使著陸有效載荷的質(zhì)量進一步得到提高,見圖7。火星車著陸依靠6個輪子進行緩沖,著陸速度小,著陸安全性好,可以在坡度不超過15°、巖石高度不超過0.55m的復雜地形著陸[4],見圖8。

圖7 “鳳凰號“和“火星科學實驗室”的著陸器

圖8 發(fā)動機氣流影響

4 結(jié)束語

進入、下降與著陸技術是火星探測的核心技術之一,對整個火星探測活動的順利進行起著不可替代的作用?！盎鹦强茖W實驗室”著陸質(zhì)量更大,著陸精度和安全性要求更高,系統(tǒng)更復雜,對導航制導與控制技術提出了更高的要求。“火星科學實驗室”在繼承已有成熟技術基礎之上,開創(chuàng)性地運用了一些新技術新方法,如進入制導、動力下降、空中吊車著陸等。隨著火星探測的不斷深入,未來采樣返回、載人登陸等任務還需要探測器具備精確著陸和自主障礙檢測與規(guī)避能力,火星進入、下降與著陸技術還有待進一步的發(fā)展。

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