解密好奇号 : 火星巡视探测器任务与设计

第1章绪论1

1.1火星探测背景1

1.2火星环境5

1.2.1温度环境5

1.2.2大气环境5

1.2.3引力环境5

1.2.4地形地貌5

1.2.5辐照环境6

1.2.6尘暴环境6

1.3火星探测的科学成果6

1.4火星探测的工程成果7

1.5行星保护7

第2章火星着陆巡视探测历程9

2.1火星探测的目的及意义9

2.2火星探测任务分析10

2.3火星探测器技术参数对比12

2.4历次火星探测的科学目标及发现14

2.4.1海盗1号和海盗2号15

2.4.2火星探路者和索杰纳号15

2.4.3勇气号与机遇号16

2.4.4凤凰号着陆器18

2.4.5洞察号着陆器20

2.4.6其他火星探测任务21

2.5历次着陆点及其分布图22

2.5.1着陆区域选择22

2.5.2着陆区域特点24

第3章好奇号的任务与成果29

3.1好奇号任务29

3.2科学目标论述29

3.2.1美国火星探测战略科学目标29

3.2.2好奇号的科学目标30

3.3好奇号取得的成果30

3.3.1科学成果30

3.3.2工程成果48

3.4好奇号日志51

3.4.1古代火星具有适宜微生物生存的环境条件51

3.4.2研究古代火星宜居性以及火星环境演化51

3.4.3研究火星地质变化的历史52

3.5好奇号预期目标对比54

第4章好奇号总体技术方案55

4.1好奇号任务过程55

4.1.1发射阶段56

4.1.2星际巡航与火星接近阶段57

4.1.3EDL阶段58

4.1.4首次行走62

4.1.5火星表面巡视探测过程63

4.2系统组成及功能63

4.2.1总体构型与布局63

4.2.2移动分系统69

4.2.3结构与机构分系统69

4.2.4自主导航分系统70

4.2.5综合电子分系统70

4.2.6电源分系统70

4.2.7热控分系统70

4.2.8测控数传分系统71

4.2.9有效载荷分系统71

4.3好奇号的行星保护71

4.4总体技术指标72

4.5工作模式75

4.5.1控制模式75

4.5.2通信模式76

第5章有效载荷分系统78

5.1有效载荷与科学目标的关系78

5.2有效载荷组成及功能78

5.3有效载荷布局80

5.4桅杆相机81

5.4.1设计目标81

5.4.2技术参数82

5.4.3设备组成及功能82

5.4.4关键部件解析85

5.5辐射评估探测仪85

5.5.1设计目标86

5.5.2技术参数86

5.5.3设备组成及功能86

5.5.4关键部件解析86

5.6化学分析相机88

5.6.1设计目标88

5.6.2技术参数89

5.6.3设备组成及功能89

5.6.4关键部件解析90

5.7环境监测站91

5.7.1设计目标91

5.7.2技术参数92

5.7.3设备组成92

5.7.4关键部件解析93

5.8中子动态反照率探测器95

5.8.1设计目标95

5.8.2技术参数95

5.8.3设备组成及功能96

5.8.4关键部件解析97

5.9下降成像仪99

5.9.1设计目标100

5.9.2技术参数100

5.9.3设备组成及功能100

5.9.4关键部件解析100

5.10样本分析仪101

5.10.1设计目标101

5.10.2技术参数101

5.10.3设备组成及功能103

5.10.4关键部件解析103

5.11化学与矿物学分析仪106

5.11.1设计目标106

5.11.2技术参数106

5.11.3设备组成及功能107

5.11.4关键部件解析110

5.12手持透镜成像仪113

5.12.1设计目标113

5.12.2技术参数114

5.12.3设备组成及功能114

5.12.4关键部件解析120

5.13α粒子X射线光谱仪122

5.13.1设计目标122

5.13.2技术参数122

5.13.3设备组成及功能123

5.13.4关键部件解析127

5.14再入下降着陆仪128

5.14.1设计目标128

5.14.2技术参数128

5.14.3设备组成及功能129

5.14.4关键部件解析129

第6章移动分系统134

6.1功能与组成134

6.1.1摇臂转向架式悬架系统134

6.1.2连杆式差速机构136

6.1.3车轮140

6.1.4驱动机构142

6.2主要技术指标142

6.3关键技术解析143

6.3.1好奇号任务初期地面力学分析143

6.3.2滑动轴承研究145

第7章结构与机构分系统150

7.1功能与组成150

7.1.1结构子系统设计150

7.1.2样本获取、处理与传送子系统（SA/SPAH）设计155

7.1.3机械臂子系统设计168

7.1.4钻机子系统设计173

7.1.5火星岩石原位采样分析仪子系统182

7.1.6除尘工具188

7.2主要技术指标196

7.3关键技术解析197

7.3.1MSL小质量灰尘除尘技术197

7.3.2极端环境下的机电系统设计技术202

第8章自主导航分系统206

8.1功能与组成206

8.1.1视觉导航子系统207

8.1.2组合导航子系统210

8.1.3路径规划子系统211

8.2主要技术指标211

8.2.1导航相机211

8.2.2避障相机212

8.3关键技术解析213

8.3.1巡视器定位定姿技术213

8.3.2视觉测程技术215

8.3.3路径规划技术220

8.4未来行星车自主导航技术的发展223

8.4.1地形预测223

8.4.2航行速度223

8.4.3自主能力224

8.4.4岩心取样224

第9章综合电子分系统226

9.1功能与组成226

9.1.1综合电子分系统主要功能226

9.1.2综合电子分系统组成226

9.1.3硬件227

9.1.4软件234

9.2主要技术指标241

9.3关键技术解析242

9.3.1分布式电机控制技术242

9.3.2适用于低温环境的专用集成电路加工技术245

第10章电源分系统247

10.1功能及组成247

10.1.1功能247

10.1.2组成247

10.2主要技术指标252

10.3关键技术253

10.3.1高可靠多任务同位素热电发电机总体技术253

10.3.2多任务同位素热电温差发电技术256

10.3.3多任务同位素热电发电机热防护技术258

10.3.4耐低温锂离子电池技术261

第11章热控分系统264

11.1功能与组成264

11.1.1功能264

11.1.2系统组成266

11.2主要技术指标269

11.3关键技术解析269

11.3.1EDL阶段气动热防护技术269

11.3.2流体回路系统技术278

11.3.3关键部件热设计概述287

11.3.4热平衡试验293

第12章测控数传分系统299

12.1功能与组成299

12.1.1功能299

12.1.2系统组成299

12.2主要技术指标302

12.2.1器地X频段指标302

12.2.2器间UHF频段指标303

12.3关键设备解析304

12.3.1器地X频段关键部件304

12.3.2器间UHF关键部件313

第13章着陆与地面验证技术321

13.1巡视器着陆技术321

13.1.1着陆过程321

13.1.2着陆系统组成与功能分析328

13.1.3着陆技术分析及解决途径344

13.1.4好奇号着陆技术的创新性361

13.1.5小结365

·ⅩⅦ·

13.2地面验证技术365

13.2.1利用ADAMS仿真进行空中吊车系统论证365

13.2.2MSL热真空安全性及有效性测试375

13.2.3MSL巡视器结构的离心试验验证与确认379

第14章好奇号任务的前沿性分析387

14.1首次采用空中吊车着陆缓冲技术387

14.2续航能力强劲387

14.3设计行程远387

14.4样本采集能力强388

14.5任务更复杂388

14.6科学仪器多样化且能有机协作388

14.7结构特点灵活389

14.8软件系统功能强389

14.9自主热控系统390

第15章好奇号任务的组织管理391

15.1研制流程391

15.2参研单位及任务分工392

15.2.1政府航天部门392

15.2.2研究机构393

15.2.3参与高校393

15.2.4国际合作机构394

15.2.5参与企业394

15.2.6MSL项目办人员名单395

15.2.7有效载荷研究人员名单395

15.3工作模式400

15.3.1MSL科学团队成员400

15.3.2MSL科学团队合作人员405

15.3.3增员与裁员405

15.3.4运行方针405

15.3.5活动信息406

15.3.6参与测试与训练406

15.3.7仪器向上传输信息的准备工作406

15.3.8用于工程技术的仪器设备406

·ⅩⅧ·

15.4管理模式406

15.4.1NASA总部项目管理组织及其管理职能406

15.4.2全面质量管理（TQM）措施409

15.4.3经费管理411

15.4.4招标和外包程序411

15.4.5在国际航天交流中应遵循的原则412

15.5管理方法413

15.5.1利用过程的方法进行项目管理413

15.5.2利用标准化的方法进行项目管理415

15.5.3加强项目人力资本的开发与培训415

第16章未来火星探测规划417

16.1美国火星发展规划417

16.1.1美国火星探测发展规划历程417

16.1.2美国火星发展战略规划418

16.1.3近期美国火星探测器420

16.2俄罗斯火星发展规划424

16.3ESA火星发展规划425

16.4中国火星发展规划425

16.5其他国家火星发展规划427

16.5.1印度427

16.5.2日本427

16.5.3阿联酋427

16.5.4韩国428

16.6典型载人火星探测案例428

16.6.1ESA 的“曙光计划”428

16.6.2NASA的DRA 5.0方案428

16.6.3SpaceX的火星移民计划430

第17章总结与展望433

参考文献434