[论文解读] A Novel Entry, Descent and Landing Architecture for Mars Landers

Malaya Kumar Biswal. M, Ramesh Naidu. A|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

Space Exploration and Technology被引用 5

一句话总结

本文提出了一种专为大型载人火星着陆器设计的新型减震着陆系统，旨在实现软着陆并防止坠毁。通过采用先进材料与机械设计原理，该系统旨在通过减轻冲击力并提高在进入、下降和着陆（EDL）关键阶段（5–8分钟）的可靠性，从而提升EDL任务的成功率。

ABSTRACT

Landing robotic spacecrafts and humans on the surface of Mars has become one of the inevitable technological necessity for humans. To accomplish this intention, we need to land enormous number of cargoes, crewed modules, return vehicles and scientific laboratories on Mars. In this entailing condition, there are many incidences of crash landing leading to complete demolition of lander modules. Crash landing occurs under numerous circumstances. Significant problems were loss of communication, onboard command error, lander malfunction, software problem and premature EDL performance. Moreover, existence of deformable shock absorbers like Aluminium honeycomb and crushable carbon fibers in landing gears are not feasible for high scale mass and crewed landing. Consequently, it may cause impairment of landing module. Further, while evaluating the interim EDL performance, landing and switching EDL events within a limited span of 5 to 8 minutes appears to be the most challenging task. Scrutinizing this concern, we propose a novel shock absorbing landing gear system that will be more achievable for large scale and frequent landing missions. This paper relies on theoretical proposition of practical design of landing gear system and we expect that, subject to any obstruction in EDL sequence, this mechanical system will enable soft-landing thereby increasing the probability of success in forthcoming landing missions. Hence, our ultimate aim is to protect lander modules and their instruments during the course of landing.

研究动机与目标

• 解决因通信中断、软件错误和系统故障导致的火星EDL阶段高比例坠毁着陆问题。
• 克服现有可变形减震器（如铝蜂窝和可压溃碳纤维）在大质量及载人着陆任务中的局限性。
• 设计一种机械结构坚固的着陆系统，能够应对大规模及频繁的火星着陆任务。
• 通过确保在受限的5–8分钟窗口内可靠运行，提高EDL序列的成功概率。
• 在下降和触地过程中保护着陆器模块及机载仪器免受结构损伤。

提出的方法

• 提出一种针对大质量及载人火星着陆器的新型减震着陆系统理论机械设计方案。
• 聚焦于结构完整性与能量耗散，采用先进材料替代传统可压溃减震器。
• 优化着陆系统在进入、下降和着陆（EDL）最后阶段的高冲击吸收能力。
• 将系统集成到更广泛的EDL架构中，以确保与机载指令序列和时间约束的兼容性。
• 强调机械可靠性，而非依赖软件的系统，以降低EDL关键阶段的故障风险。
• 设计具备可扩展性，以支持未来大规模货运及载人火星任务。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种着陆系统，使其能可靠吸收大质量及载人火星着陆时的高冲击力？
• RQ2 哪些机械设计原则可在5–8分钟的操作窗口内提升EDL任务的成功率？
• RQ3 传统减震器（如铝蜂窝和碳纤维）可通过何种方式被更坚固的替代品取代？
• RQ4 该着陆系统如何降低在下降和触地过程中模块损毁的风险？
• RQ5 通过完全机械的、与软件无关的方法，可在可靠性与耐久性方面实现哪些提升？

主要发现

• 所提出的着陆系统在理论上具备实现大型载人火星着陆器软着陆的能力。
• 该系统旨在减轻EDL过程中因机载指令错误、软件故障和通信中断带来的风险。
• 传统减震器（如铝蜂窝和可压溃碳纤维）被认为不足以应对大质量及载人着陆任务。
• 机械设计方法通过减少对EDL关键阶段软件和实时控制的依赖，提升了系统可靠性。
• 该系统有望通过有效管理冲击力并保护敏感仪器，提高成功着陆的概率。
• 该架构通过解决当前EDL系统中的关键故障模式，支持频繁且可扩展的着陆任务。