解密好奇號：火星巡視探測器任務與設計

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火星探測的科學成果6

1.4火星探測的工程成果7

1.5行星保護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火星探測任務分析10

2.3火星探測器技術參數對比12

2.4歷次火星探測的科學目標及發(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21

2.5歷次著陸點及其分布圖22

2.5.1著陸區(qū)域選擇22

2.5.2著陸區(qū)域特點24
第3章好奇號的任務與成果29

3.1好奇號任務29

3.2科學目標論述29

3.2.1美國火星探測戰(zhàn)略科學目標29

3.2.2好奇號的科學目標30

3.3好奇號取得的成果30

3.3.1科學成果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研究火星地質變化的歷史52

3.5好奇號預期目標對比54
第4章好奇號總體技術方案55

4.1好奇號任務過程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總體構型與布局63

4.2.2移動分系統(tǒng)69

4.2.3結構與機構分系統(tǒng)69

4.2.4自主導航分系統(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71

4.4總體技術指標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有效載荷與科學目標的關系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81

5.4.1設計目標81

5.4.2技術參數82

5.4.3設備組成及功能82

5.4.4關鍵部件解析85

5.5輻射評估探測儀85

5.5.1設計目標86

5.5.2技術參數86

5.5.3設備組成及功能86

5.5.4關鍵部件解析86

5.6化學分析相機88

5.6.1設計目標88

5.6.2技術參數89

5.6.3設備組成及功能89

5.6.4關鍵部件解析90

5.7環(huán)境監(jiān)測站91

5.7.1設計目標91

5.7.2技術參數92

5.7.3設備組成92

5.7.4關鍵部件解析93

5.8中子動態(tài)反照率探測器95

5.8.1設計目標95

5.8.2技術參數95

5.8.3設備組成及功能96

5.8.4關鍵部件解析97

5.9下降成像儀99

5.9.1設計目標100

5.9.2技術參數100

5.9.3設備組成及功能100

5.9.4關鍵部件解析100

5.10樣本分析儀101

5.10.1設計目標101

5.10.2技術參數101

5.10.3設備組成及功能103

5.10.4關鍵部件解析103

5.11化學與礦物學分析儀106

5.11.1設計目標106

5.11.2技術參數106

5.11.3設備組成及功能107

5.11.4關鍵部件解析110

5.12手持透鏡成像儀113

5.12.1設計目標113

5.12.2技術參數114

5.12.3設備組成及功能114

5.12.4關鍵部件解析120

5.13α粒子X射線光譜儀122

5.13.1設計目標122

5.13.2技術參數122

5.13.3設備組成及功能123

5.13.4關鍵部件解析127

5.14再入下降著陸儀128

5.14.1設計目標128

5.14.2技術參數128

5.14.3設備組成及功能129

5.14.4關鍵部件解析129
第6章移動分系統(tǒng)134

6.1功能與組成134

6.1.1搖臂轉向架式懸架系統(tǒng)134

6.1.2連桿式差速機構136

6.1.3車輪140

6.1.4驅動機構142

6.2主要技術指標142

6.3關鍵技術解析143

6.3.1好奇號任務初期地面力學分析143

6.3.2滑動軸承研究145
第7章結構與機構分系統(tǒng)150

7.1功能與組成150

7.1.1結構子系統(tǒng)設計150

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

7.1.3機械臂子系統(tǒng)設計168

7.1.4鉆機子系統(tǒng)設計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主要技術指標196

7.3關鍵技術解析197

7.3.1MSL小質量灰塵除塵技術197

7.3.2極端環(huán)境下的機電系統(tǒng)設計技術202
第8章自主導航分系統(tǒng)206

8.1功能與組成206

8.1.1視覺導航子系統(tǒng)207

8.1.2組合導航子系統(tǒng)210

8.1.3路徑規(guī)劃子系統(tǒng)211

8.2主要技術指標211

8.2.1導航相機211

8.2.2避障相機212

8.3關鍵技術解析213

8.3.1巡視器定位定姿技術213

8.3.2視覺測程技術215

8.3.3路徑規(guī)劃技術220

8.4未來行星車自主導航技術的發(fā)展223

8.4.1地形預測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主要技術指標241

9.3關鍵技術解析242

9.3.1分布式電機控制技術242

9.3.2適用于低溫環(huán)境的專用集成電路加工技術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主要技術指標252

10.3關鍵技術253

10.3.1高可靠多任務同位素熱電發(fā)電機總體技術253

10.3.2多任務同位素熱電溫差發(fā)電技術256

10.3.3多任務同位素熱電發(fā)電機熱防護技術258

10.3.4耐低溫鋰離子電池技術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主要技術指標269

11.3關鍵技術解析269

11.3.1EDL階段氣動熱防護技術269

11.3.2流體回路系統(tǒng)技術278

11.3.3關鍵部件熱設計概述287

11.3.4熱平衡試驗293

第12章測控數傳分系統(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主要技術指標302

12.2.1器地X頻段指標302

12.2.2器間UHF頻段指標303

12.3關鍵設備解析304

12.3.1器地X頻段關鍵部件304

12.3.2器間UHF關鍵部件313
第13章著陸與地面驗證技術321

13.1巡視器著陸技術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著陸技術分析及解決途徑344

13.1.4好奇號著陸技術的創(chuàng)新性361

13.1.5小結365

·ⅩⅦ·

13.2地面驗證技術365

13.2.1利用ADAMS仿真進行空中吊車系統(tǒng)論證365

13.2.2MSL熱真空安全性及有效性測試375

13.2.3MSL巡視器結構的離心試驗驗證與確認379
第14章好奇號任務的前沿性分析387

14.1首次采用空中吊車著陸緩沖技術387

14.2續(xù)航能力強勁387

14.3設計行程遠387

14.4樣本采集能力強388

14.5任務更復雜388

14.6科學儀器多樣化且能有機協(xié)作388

14.7結構特點靈活389

14.8軟件系統(tǒng)功能強389

14.9自主熱控系統(tǒng)390

第15章好奇號任務的組織管理391

15.1研制流程391

15.2參研單位及任務分工392

15.2.1政府航天部門392

15.2.2研究機構393

15.2.3參與高校393

15.2.4國際合作機構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科學團隊成員400

15.3.2MSL科學團隊合作人員405

15.3.3增員與裁員405

15.3.4運行方針405

15.3.5活動信息406

15.3.6參與測試與訓練406

15.3.7儀器向上傳輸信息的準備工作406

15.3.8用于工程技術的儀器設備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全面質量管理（TQM）措施409

15.4.3經費管理411

15.4.4招標和外包程序411

15.4.5在國際航天交流中應遵循的原則412

15.5管理方法413

15.5.1利用過程的方法進行項目管理413

15.5.2利用標準化的方法進行項目管理415

15.5.3加強項目人力資本的開發(fā)與培訓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章總結與展望433
參考文獻434