解密好奇號：火星巡視探測器任務(wù)與設(shè)計

第1章緒論1

1.1火星探測背景1

1.2火星環(huán)境5

1.2.1溫度環(huán)境5

1.2.2大氣環(huán)境5

1.2.3引力環(huán)境5

1.2.4地形地貌5

1.2.5輻照環(huán)境6

1.2.6塵暴環(huán)境6

1.3火星探測的科學(xué)成果6

1.4火星探測的工程成果7

1.5行星保護(hù)7
第2章火星著陸巡視探測歷程9

2.1火星探測的目的及意義9

2.2火星探測任務(wù)分析10

2.3火星探測器技術(shù)參數(shù)對比12

2.4歷次火星探測的科學(xué)目標(biāo)及發(fā)現(xiàn)14

2.4.1海盜1號和海盜2號15

2.4.2火星探路者和索杰納號15

2.4.3勇氣號與機(jī)遇號16

2.4.4鳳凰號著陸器18

2.4.5洞察號著陸器20

2.4.6其他火星探測任務(wù)21

2.5歷次著陸點(diǎn)及其分布圖22

2.5.1著陸區(qū)域選擇22

2.5.2著陸區(qū)域特點(diǎn)24
第3章好奇號的任務(wù)與成果29

3.1好奇號任務(wù)29

3.2科學(xué)目標(biāo)論述29

3.2.1美國火星探測戰(zhàn)略科學(xué)目標(biāo)29

3.2.2好奇號的科學(xué)目標(biāo)30

3.3好奇號取得的成果30

3.3.1科學(xué)成果30

3.3.2工程成果48

3.4好奇號日志51

3.4.1古代火星具有適宜微生物生存的環(huán)境條件51

3.4.2研究古代火星宜居性以及火星環(huán)境演化51

3.4.3研究火星地質(zhì)變化的歷史52

3.5好奇號預(yù)期目標(biāo)對比54
第4章好奇號總體技術(shù)方案55

4.1好奇號任務(wù)過程55

4.1.1發(fā)射階段56

4.1.2星際巡航與火星接近階段57

4.1.3EDL階段58

4.1.4首次行走62

4.1.5火星表面巡視探測過程63

4.2系統(tǒng)組成及功能63

4.2.1總體構(gòu)型與布局63

4.2.2移動分系統(tǒng)69

4.2.3結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)69

4.2.4自主導(dǎo)航分系統(tǒng)70

4.2.5綜合電子分系統(tǒng)70

4.2.6電源分系統(tǒng)70

4.2.7熱控分系統(tǒng)70

4.2.8測控數(shù)傳分系統(tǒng)71

4.2.9有效載荷分系統(tǒng)71

4.3好奇號的行星保護(hù)71

4.4總體技術(shù)指標(biāo)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章有效載荷分系統(tǒng)78

5.1有效載荷與科學(xué)目標(biāo)的關(guān)系78

5.2有效載荷組成及功能78

5.3有效載荷布局80

5.4桅桿相機(jī)81

5.4.1設(shè)計目標(biāo)81

5.4.2技術(shù)參數(shù)82

5.4.3設(shè)備組成及功能82

5.4.4關(guān)鍵部件解析85

5.5輻射評估探測儀85

5.5.1設(shè)計目標(biāo)86

5.5.2技術(shù)參數(shù)86

5.5.3設(shè)備組成及功能86

5.5.4關(guān)鍵部件解析86

5.6化學(xué)分析相機(jī)88

5.6.1設(shè)計目標(biāo)88

5.6.2技術(shù)參數(shù)89

5.6.3設(shè)備組成及功能89

5.6.4關(guān)鍵部件解析90

5.7環(huán)境監(jiān)測站91

5.7.1設(shè)計目標(biāo)91

5.7.2技術(shù)參數(shù)92

5.7.3設(shè)備組成92

5.7.4關(guān)鍵部件解析93

5.8中子動態(tài)反照率探測器95

5.8.1設(shè)計目標(biāo)95

5.8.2技術(shù)參數(shù)95

5.8.3設(shè)備組成及功能96

5.8.4關(guān)鍵部件解析97

5.9下降成像儀99

5.9.1設(shè)計目標(biāo)100

5.9.2技術(shù)參數(shù)100

5.9.3設(shè)備組成及功能100

5.9.4關(guān)鍵部件解析100

5.10樣本分析儀101

5.10.1設(shè)計目標(biāo)101

5.10.2技術(shù)參數(shù)101

5.10.3設(shè)備組成及功能103

5.10.4關(guān)鍵部件解析103

5.11化學(xué)與礦物學(xué)分析儀106

5.11.1設(shè)計目標(biāo)106

5.11.2技術(shù)參數(shù)106

5.11.3設(shè)備組成及功能107

5.11.4關(guān)鍵部件解析110

5.12手持透鏡成像儀113

5.12.1設(shè)計目標(biāo)113

5.12.2技術(shù)參數(shù)114

5.12.3設(shè)備組成及功能114

5.12.4關(guān)鍵部件解析120

5.13α粒子X射線光譜儀122

5.13.1設(shè)計目標(biāo)122

5.13.2技術(shù)參數(shù)122

5.13.3設(shè)備組成及功能123

5.13.4關(guān)鍵部件解析127

5.14再入下降著陸儀128

5.14.1設(shè)計目標(biāo)128

5.14.2技術(shù)參數(shù)128

5.14.3設(shè)備組成及功能129

5.14.4關(guān)鍵部件解析129
第6章移動分系統(tǒng)134

6.1功能與組成134

6.1.1搖臂轉(zhuǎn)向架式懸架系統(tǒng)134

6.1.2連桿式差速機(jī)構(gòu)136

6.1.3車輪140

6.1.4驅(qū)動機(jī)構(gòu)142

6.2主要技術(shù)指標(biāo)142

6.3關(guān)鍵技術(shù)解析143

6.3.1好奇號任務(wù)初期地面力學(xué)分析143

6.3.2滑動軸承研究145
第7章結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)150

7.1功能與組成150

7.1.1結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)設(shè)計150

7.1.2樣本獲取、處理與傳送子系統(tǒng)（SA/SPAH）設(shè)計155

7.1.3機(jī)械臂子系統(tǒng)設(shè)計168

7.1.4鉆機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計173

7.1.5火星巖石原位采樣分析儀子系統(tǒng)182

7.1.6除塵工具188

7.2主要技術(shù)指標(biāo)196

7.3關(guān)鍵技術(shù)解析197

7.3.1MSL小質(zhì)量灰塵除塵技術(shù)197

7.3.2極端環(huán)境下的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)202
第8章自主導(dǎo)航分系統(tǒng)206

8.1功能與組成206

8.1.1視覺導(dǎo)航子系統(tǒng)207

8.1.2組合導(dǎo)航子系統(tǒng)210

8.1.3路徑規(guī)劃子系統(tǒng)211

8.2主要技術(shù)指標(biāo)211

8.2.1導(dǎo)航相機(jī)211

8.2.2避障相機(jī)212

8.3關(guān)鍵技術(shù)解析213

8.3.1巡視器定位定姿技術(shù)213

8.3.2視覺測程技術(shù)215

8.3.3路徑規(guī)劃技術(shù)220

8.4未來行星車自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展223

8.4.1地形預(yù)測223

8.4.2航行速度223

8.4.3自主能力224

8.4.4巖心取樣224
第9章綜合電子分系統(tǒng)226

9.1功能與組成226

9.1.1綜合電子分系統(tǒng)主要功能226

9.1.2綜合電子分系統(tǒng)組成226

9.1.3硬件227

9.1.4軟件234

9.2主要技術(shù)指標(biāo)241

9.3關(guān)鍵技術(shù)解析242

9.3.1分布式電機(jī)控制技術(shù)242

9.3.2適用于低溫環(huán)境的專用集成電路加工技術(shù)245
第10章電源分系統(tǒng)247

10.1功能及組成247

10.1.1功能247

10.1.2組成247

10.2主要技術(shù)指標(biāo)252

10.3關(guān)鍵技術(shù)253

10.3.1高可靠多任務(wù)同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)總體技術(shù)253

10.3.2多任務(wù)同位素?zé)犭姕夭畎l(fā)電技術(shù)256

10.3.3多任務(wù)同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)熱防護(hù)技術(shù)258

10.3.4耐低溫鋰離子電池技術(shù)261
第11章熱控分系統(tǒng)264

11.1功能與組成264

11.1.1功能264

11.1.2系統(tǒng)組成266

11.2主要技術(shù)指標(biāo)269

11.3關(guān)鍵技術(shù)解析269

11.3.1EDL階段氣動熱防護(hù)技術(shù)269

11.3.2流體回路系統(tǒng)技術(shù)278

11.3.3關(guān)鍵部件熱設(shè)計概述287

11.3.4熱平衡試驗293

第12章測控數(shù)傳分系統(tǒng)299

12.1功能與組成299

12.1.1功能299

12.1.2系統(tǒng)組成299

12.2主要技術(shù)指標(biāo)302

12.2.1器地X頻段指標(biāo)302

12.2.2器間UHF頻段指標(biāo)303

12.3關(guān)鍵設(shè)備解析304

12.3.1器地X頻段關(guān)鍵部件304

12.3.2器間UHF關(guān)鍵部件313
第13章著陸與地面驗證技術(shù)321

13.1巡視器著陸技術(shù)321

13.1.1著陸過程321

13.1.2著陸系統(tǒng)組成與功能分析328

13.1.3著陸技術(shù)分析及解決途徑344

13.1.4好奇號著陸技術(shù)的創(chuàng)新性361

13.1.5小結(jié)365

·ⅩⅦ·

13.2地面驗證技術(shù)365

13.2.1利用ADAMS仿真進(jìn)行空中吊車系統(tǒng)論證365

13.2.2MSL熱真空安全性及有效性測試375

13.2.3MSL巡視器結(jié)構(gòu)的離心試驗驗證與確認(rèn)379
第14章好奇號任務(wù)的前沿性分析387

14.1首次采用空中吊車著陸緩沖技術(shù)387

14.2續(xù)航能力強(qiáng)勁387

14.3設(shè)計行程遠(yuǎn)387

14.4樣本采集能力強(qiáng)388

14.5任務(wù)更復(fù)雜388

14.6科學(xué)儀器多樣化且能有機(jī)協(xié)作388

14.7結(jié)構(gòu)特點(diǎn)靈活389

14.8軟件系統(tǒng)功能強(qiáng)389

14.9自主熱控系統(tǒng)390

第15章好奇號任務(wù)的組織管理391

15.1研制流程391

15.2參研單位及任務(wù)分工392

15.2.1政府航天部門392

15.2.2研究機(jī)構(gòu)393

15.2.3參與高校393

15.2.4國際合作機(jī)構(gòu)394

15.2.5參與企業(yè)394

15.2.6MSL項目辦人員名單395

15.2.7有效載荷研究人員名單395

15.3工作模式400

15.3.1MSL科學(xué)團(tuán)隊成員400

15.3.2MSL科學(xué)團(tuán)隊合作人員405

15.3.3增員與裁員405

15.3.4運(yùn)行方針405

15.3.5活動信息406

15.3.6參與測試與訓(xùn)練406

15.3.7儀器向上傳輸信息的準(zhǔn)備工作406

15.3.8用于工程技術(shù)的儀器設(shè)備406

·ⅩⅧ·
15.4管理模式406

15.4.1NASA總部項目管理組織及其管理職能406

15.4.2全面質(zhì)量管理（TQM）措施409

15.4.3經(jīng)費(fèi)管理411

15.4.4招標(biāo)和外包程序411

15.4.5在國際航天交流中應(yīng)遵循的原則412

15.5管理方法413

15.5.1利用過程的方法進(jìn)行項目管理413

15.5.2利用標(biāo)準(zhǔn)化的方法進(jìn)行項目管理415

15.5.3加強(qiáng)項目人力資本的開發(fā)與培訓(xùn)415


第16章未來火星探測規(guī)劃417

16.1美國火星發(fā)展規(guī)劃417

16.1.1美國火星探測發(fā)展規(guī)劃歷程417

16.1.2美國火星發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃418

16.1.3近期美國火星探測器420

16.2俄羅斯火星發(fā)展規(guī)劃424

16.3ESA火星發(fā)展規(guī)劃425

16.4中國火星發(fā)展規(guī)劃425

16.5其他國家火星發(fā)展規(guī)劃427

16.5.1印度427

16.5.2日本427

16.5.3阿聯(lián)酋427

16.5.4韓國428

16.6典型載人火星探測案例428

16.6.1ESA 的“曙光計劃”428

16.6.2NASA的DRA 5.0方案428

16.6.3SpaceX的火星移民計劃430
第17章總結(jié)與展望433
參考文獻(xiàn)434