火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

在火星著陸軌跡最佳化和制導演算法設計過程中,除了動力學約束和兩點邊值約束外,根據大氣層進入段和動力學下降段的不同特點,應分別滿足相應的約束,以保證飛行安全,在大氣層進入段,飛行器的初始機械能透過摩擦阻力和衝擊阻力轉化為內能耗散掉,因此,在進入大氣層的過程中會產生大量的熱能,極大地威脅著飛機的安全。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

此外,飛機的氣動過載也是威脅結構安全的重要因素,因此,保證大氣進入段飛行安全的路徑約束主要包括峰值熱流約束和峰值過載約束,由於火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域,如大型環形山,飛行器在動力下降過程中會受到火星表面複雜地形的威脅,火星好奇號和毅力號的著陸區。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

火星表面著陸區的地形非常複雜,因此,複雜外形的避障約束是保證著陸時飛行安全的重要約束條件,如何根據火星複雜的地表特徵設計避障軌跡和制導演算法是火星動態下降軌跡最佳化和制導技術需要解決的關鍵問題,火星著陸環境建模是精確著陸火星表面的前提,而火星大氣模型是影響火星著陸精度的重要環境模型。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

另一方面,火星著陸軌道邊界條件的選擇是影響著陸軌道特性的重要因素,可控集和可達集是選擇邊界條件的重要工具,本部分首先總結了火星大氣建模的研究現狀和著陸軌跡邊界條件的可控集可達集設計方法,在此基礎上,分析了火星著陸軌跡最佳化和制導方法的研究現狀,由於火星大氣是進入階段所依賴的主要減速介質,其精確建模也是精確制導和控制的必要前提。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

火星大氣存在顯著的不確定性,與季節、海拔高度等因素密切相關,還存在區域性陣風等一些不確定因素,影響火星大氣進入段動力學建模的主要大氣引數是大氣密度和大氣溫度,這兩個資料庫都詳細完整地給出了火星的主要引數,但由於資料量巨大,不便於大氣層進入軌道的最佳化和制導演算法的設計。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

雖然火星大氣密度隨高度的分佈呈非嚴格的指數形式,但在一定高度範圍內具有顯著的指數形式特徵,參考文獻給出了火星大氣的三維解析模型,並將火星大氣密度模型逐層簡化,因此在大氣層進入制導律的設計、分析和驗證過程中,選擇密度模型計算氣動力、氣動過載和氣動熱效應時,需要在精度和複雜度之間取得平衡。

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單層大氣密度指數模型因其形式簡單、分析效能好,在火星大氣進入制導方法的理論研究中得到了廣泛應用,由於火星大氣密度模型的各種形式,在複雜性和準確性方面有很大差異,在演算法驗證階段,需要更精確的模型進行實驗驗證,火星著陸可控集和可達集分析的研究現狀在複雜約束條件下。

火星著陸探測區域通常選擇在具有較高科學價值的區域

火星著陸可控集和可達集的設計與分析是基於軌跡最佳化技術的一個重要應用方向,著陸可控集和可達集的概念來自現代控制理論,在火星著陸過程中,可控集是所有可能的初始狀態對應於名義最終狀態的集合;可達集是名詞中所有可能的最終狀態的集合。

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