本書是一部系統(tǒng)論述航天器地外天體著陸起飛試驗技術(shù)的學(xué)術(shù)專著。內(nèi)容涵蓋航天器低重力模擬試驗技術(shù)、地外天體表面特性模擬技術(shù)、試驗指揮與測量技術(shù)、試驗保障技術(shù)、虛擬試驗技術(shù)、人在回路著陸起飛試驗技術(shù)、典型試驗實施方案等內(nèi)容。本書凝煉了著者多年來在探月工程和火星探測工程研制過程中的工程實踐經(jīng)驗及取得的一些創(chuàng)新性成果。
本書在航天器試驗技術(shù)領(lǐng)域具有較高的學(xué)術(shù)價值和工程實用參考價值，適用于航天領(lǐng)域的科研人員及航天技術(shù)的愛好者。
1.1前言
人類要發(fā)展，必然要不斷探索并開拓地外空間。對地外天體的探測影響深遠(yuǎn)，將成為人類進行空間資源開發(fā)與利用、開展空間科學(xué)研究與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。對地外天體進行探測的主要方式包括：飛越探測（探測器從天體近旁飛過，對天體進行近距離觀察）、環(huán)繞探測（探測器環(huán)繞天體飛行，進行長期的、周期性的觀察）、原位探測（探測器在天體表面著陸及著陸后巡視，進行原位探測）、取樣返回探測（探測器在天體表面著陸后進行采樣，從地外天體起飛，攜帶樣品返回地球，開展詳細(xì)研究）。其中，要實現(xiàn)探測器對地外天體的原位探測及取樣返回探測，在地外天體表面的安全著陸及可靠起飛是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是未來拓展載人探測，建立人類月球基地、火星基地等長遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)［13］。
相對于飛越探測、環(huán)繞探測而言，原位探測和取樣返回探測在技術(shù)上有著巨大的跨越，技術(shù)風(fēng)險顯著增加。探測器在地外天體的軟著陸及起飛上升需要解決復(fù)雜天體環(huán)境下的自主導(dǎo)航與控制、減速下降、著陸緩沖、起飛上升等一系列技術(shù)難題。為了確保探測器在地外天體表面著陸、起飛上升等環(huán)節(jié)的安全可靠，降低技術(shù)及工程風(fēng)險，必須開展充分的試驗驗證。
地外天體著陸與起飛綜合模擬試驗的核心在于模擬地外天體的特定環(huán)境，以滿足探測器著陸與起飛相關(guān)工作階段的專項試驗驗證需求。一般而言，目前人類實現(xiàn)探測器著陸與起飛的不同地外天體目標(biāo)大致可分為3類典型環(huán)境：月球類（低重力、無大氣）、火星類（低重力、有大氣）、小天體類（微重力、無大氣）［4］。
對于最終著陸段，為了驗證探測器懸停、避障、緩速下降的工作過程，主要需模擬地外天體表面的低重力或微重力環(huán)境、地形地貌環(huán)境及對探測器所用微波、可見光等特定譜段電磁波的反散射特性。為了驗證探測器著陸緩沖及著陸穩(wěn)定性能，主要需模擬地外天體表面的低重力或微重力環(huán)境及表面土壤等介質(zhì)的力學(xué)特性。對于起飛上升段，為了驗證探測器的垂直起飛與姿態(tài)控制的工作過程，主要需模擬地外天體表面的低重力或微重力環(huán)境及探測器的初始穩(wěn)定姿態(tài)等條件。此外，對于火星等有大氣的天體的進入、下降與著陸過程，由于大氣條件與地球差距巨大，氣動減速是需要重點驗證的環(huán)節(jié)，需關(guān)注對降落傘等氣動減速裝置在特定的動壓、大氣密度、飛行馬赫數(shù)等條件下的性能驗證。
可見，地外天體著陸與起飛綜合模擬試驗技術(shù)主要包括月球、火星、小天體等地外天體的低重力或微重力條件模擬試驗技術(shù)，地外天體表面物理力學(xué)特性、電磁波反散射特性的模擬試驗技術(shù)，以及模擬火星稀薄大氣條件的高空開傘試驗技術(shù)等內(nèi)容；此外，還涉及試驗指揮與測量、試驗保障等相關(guān)技術(shù)。
黃偉，研究員，博士生導(dǎo)師，中共黨員。北京空間機電研究所，主要從事航天器進入減速與著陸技術(shù)、地外天體著陸起飛試驗技術(shù)等研究。
唐明章，研究員，飛行器設(shè)計專業(yè)，主要從事航天器氣動減速、大型外場系統(tǒng)試驗的研究，曾獲軍隊科技進步二等獎等獎項，申請專利并發(fā)表論文多項。
張章，北京空間機電研究所研究員，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士生導(dǎo)師，中國空氣動力學(xué)會第八屆空氣彈性力學(xué)專業(yè)委員會委員。
隋毅，研究員，中共黨員。北京空間機電研究所，主要從事航天器回收著陸系統(tǒng)大型試驗及地外天體著陸起飛試驗等相關(guān)技術(shù)研究。
張興宇，高級工程師，中共黨員。北京空間機電研究所，主要從事航天器進入減速與著陸試驗技術(shù)研究，參與我國載人航天等多項型號試驗研制任務(wù)。
黎光宇，高級工程師，中共黨員，北京空間機電研究所，主要從事航天器進入減速與著陸控制技術(shù)、地外天體著陸起飛試驗指揮控制技術(shù)等研究。
目錄
第1章概述1
1.1前言1
1.2探測器在地外天體著陸與起飛過程2
1.2.1月球探測器著陸及起飛過程2
1.2.2火星探測器進入下降、著陸與起飛過程4
1.2.3小天體探測器著陸及起飛過程 5
1.3地外天體著陸與起飛綜合模擬試驗的意義7
1.4地外天體著陸起飛綜合試驗場概述8
1.4.1功能9
1.4.2組成10
1.4.3接口11
參考文獻14
第2章低重力模擬試驗技術(shù)15
2.1相似模型試驗法15
2.1.1模型相似性關(guān)系15
2.1.2試驗方法17
2.2斜面試驗法20
2.2.1斜面試驗法原理20
2.2.2試驗方法24
2.3懸吊試驗法28
2.3.1懸吊試驗法原理28
2.3.2試驗方法31
2.4其他低重力模擬試驗技術(shù)34
2.4.1失重試驗法34
2.4.2浮力平衡法36
2.4.3懸浮試驗法37
2.4.4配重平衡法39
參考文獻40
第3章地外天體表面特性模擬技術(shù)41
3.1表面介質(zhì)物理力學(xué)性能模擬技術(shù)41
3.1.1地外天體表面介質(zhì)的物理力學(xué)性能41
3.1.2表面介質(zhì)物理力學(xué)性能模擬技術(shù)44
3.2表面形貌模擬技術(shù)49
3.2.1地外天體的典型表面形貌 49
3.2.2地外天體典型表面形貌模擬技術(shù)52
3.3表面反散射特性模擬技術(shù)60
3.3.1地外天體表面反散射特性模擬要求60
3.3.2表面反散射特性模擬技術(shù) 63
參考文獻65
第4章試驗指揮控制與測量技術(shù)67
4.1試驗指揮控制技術(shù)67
4.1.1試驗指揮控制的需求67
4.1.2試驗指揮控制系統(tǒng)的組成69
4.1.3關(guān)鍵技術(shù)74
4.2試驗測量技術(shù)76
4.2.1攝像測量技術(shù)76
4.2.2其他測量技術(shù)85
參考文獻89
第5章試驗保障技術(shù)90
5.1試驗環(huán)保與安全防護90
5.1.1環(huán)保與安全性分析90
5.1.2試驗環(huán)保與安全措施92
5.2總裝測試與地面轉(zhuǎn)運保障96
5.2.1質(zhì)量特性測試設(shè)備97
5.2.2轉(zhuǎn)運車及轉(zhuǎn)運設(shè)備97
5.2.3高空作業(yè)設(shè)備101
5.2.4起飛試驗平臺102
5.3試驗場氣象保障106
5.3.1試驗場氣象保障需求106
5.3.2試驗場氣象參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)107
參考文獻110
第6章虛擬試驗技術(shù)111
6.1概述111
6.2虛擬試驗技術(shù)的組成與架構(gòu)112
6.3虛擬試驗技術(shù)在地外天體著陸起飛中的應(yīng)用114
6.3.1月球著陸緩沖裝置虛擬試驗114
6.3.2低重力模擬試驗平臺虛擬試驗116
6.3.3地外天體著陸與起飛虛擬試驗場117
參考文獻119
第7章人在回路著陸起飛試驗技術(shù)120
7.1概述120
7.2基于自由飛行模擬器的人在回路著陸起飛試驗技術(shù)121
7.3基于懸吊試驗法的人在回路著陸起飛試驗技術(shù)125
7.4航天員大范圍活動低重力模擬試驗技術(shù)129
參考文獻133
第8章典型試驗實施方案135
8.1著陸沖擊試驗實施方案135
8.1.1試驗原理135
8.1.2試驗系統(tǒng)136
8.1.3試驗投放方案136
8.1.4著陸沖擊試驗床實施方案138
8.1.5試驗測量方案138
8.2著陸穩(wěn)定性試驗實施方案142
8.2.1試驗原理142
8.2.2試驗系統(tǒng)143
8.2.3試驗投放方案144
8.2.4穩(wěn)定性試驗面實施方案147
8.2.5試驗測量方案150
8.3懸停、避障與緩速下降試驗實施方案151
8.3.1試驗原理151
8.3.2試驗系統(tǒng)151
8.3.3低重力模擬試驗平臺方案153
8.3.4模擬地表實施方案163
8.3.5試驗實施方案167
8.3.6試驗測量方案171
8.4起飛試驗實施方案173
8.4.1試驗原理173
8.4.2試驗系統(tǒng)173
8.4.3試驗實施方案175
8.4.4試驗測量方案176
8.5高空開傘試驗實施方案178
8.5.1概述178
8.5.2高空開傘試驗技術(shù)發(fā)展179
8.5.3基于火箭平臺的高空開傘試驗方案180
8.5.4基于氣球平臺的高空開傘試驗方案186
8.6開傘沖擊動載試驗實施方案189
8.6.1概述189
8.6.2試驗原理190
8.6.3試驗系統(tǒng)192
8.6.4試驗實施方案193
8.6.5試驗測量方案194
參考文獻195
附錄A地外天體著陸起飛綜合試驗場簡介196
附錄B地外天體著陸起飛試驗典型照片202
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