微小引力环境下小天体表面探测器着陆动力学方法研究

Small celestial bodies are characterized by small gravitational field, irregular shape, and less apriori information, the landing method on which is different from traditional planets, and it is the key to reveal the origin and evolution of solar system by spacecraft flying close to small celestial bodies. This project aims at the proximity process and surface landing of lander on the small celestial body, study of the dynamic problems of lander about hard and soft landing related in the small gravitational environment is carried out, and a method for determining the landing dynamics parameters of different lander design structures is developed; research on the space effects of a variety of perturbations such as solar pressure and gravitation on approaching and landing process is carried out, revealing the complexity of its dynamic environment, and in this project the calculation and analysis of small celestial bodies shape, microgravity environment and spatial factors on the landing stability is presented. Project is designed to improve the stability and reliability of landing process through optimization of dynamic parameters and implementation of anchoring system and brake engine. The research and its achievements can lay a foundation for future exploration and landing on small celestial bodies in China. It is of great theoretical significance and practical application value to carry out exploration and in-depth research on small celestial bodies.

小天体具有微小引力、形状不规则、自身先验信息少等特点，其探测方式区别于传统的大行星，利用深空探测器飞近小天体对其开展探测任务，是揭示太阳系起源及演化等重大科学问题的关键。本项目针对探测器飞近小天体对其进行靠近和表面着陆过程，研究着陆器在具有微小引力场环境下硬着陆和软着陆的动力学相关问题，开发一种适应于不同着陆器设计结构的着陆动力学参数确定方法；探索接近和着陆小天体过程中受到的太阳光压、太阳引力等空间多种摄动力的影响，揭示其动力学环境的复杂性，计算分析小天体自身形状及微小重力环境和空间因素对着陆器着陆稳定性的影响规律；结合动力学参数的合理选择与锚固系统和制动发动机作用，提高着陆过程的稳定性与可靠性。该项目研究及其成果可以为我国未来小天体探测和着陆奠定研究基础，开展对小天体的探测和深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

深空探测是世界各国航天机构的主要研究方向，利用探测器飞近小天体，在目标小天体表面着陆勘探，能够为揭示太阳系起源及演化等重大科学问题提供信息，具有重要的理论意义和实际应用价值。目前国际上已开展的小天体探测任务中，仅完成了对目标小天体的在轨监测与短暂表面接触，尚未实现对小天体的长时间着陆勘探。本项目考虑到小天体具有微小引力、形状不规则、自身先验信息少等特点，针对探测器着陆过程飞行任务的关键最后阶段，研究着陆器在具有微小引力场环境下的硬着陆和软着陆动力学，开发了适应于不同着陆器设计结构的着陆动力学参数确定方法，主要成果如下：.（1）一些小天体表面的大气密度较低，不能使用各类降落伞和其他制动系统，这就导致航天器接近天体表面时达到较高速度，即为硬着陆。分析着陆过程中作用在航天器上的额外干扰力和干扰力矩等因素的复杂过程，建立了着陆器运动的数学模型，在接触着陆面的瞬间，通过小天体表面介质的变形与探测器的摩擦来逐步耗散其动能。实现航天器在行星表面着陆的动力学参数建模和动力学仿真分析，在建立的Lyapunov函数上测试其稳定性。.（2）为了减小着陆器所占用的空间，设计了一种可折叠式着陆缓冲腿的构型着陆器，为了让着陆器能够长时间稳定着陆在目标小天体表面，采用推力器与反推力器、绳锚装置结合的方式，利用推力装置的压紧力、绳锚装置的锚固作用等将着陆器稳固目标小天体表面。.（3）为了防止着陆器在着陆的过程中发生因为冲击力过大而过载、着陆速度过大而倾覆、触地反弹太强而逃逸，以设计的着陆器结构为研究基础，建立了着陆器的动力学模型，通过数学方法、虚拟样机仿真等方式，验证了着陆器在不同工况着陆时能够满足安全稳定的着陆要求，确认着陆器安全稳定着陆在目标小天体表面的安全边界。最后研制开发了对设计的着陆器物理样机，在微重力试验平台上验证设计的合理性与实用性。.该项目研究及其成果可以为我国未来小天体探测和着陆奠定研究基础。