中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验(模拟的月球重力场下)和1/6模型试验(地球重力场下)两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。

研究了利用月球表面的数字高程模型和对应的卫星影像;分析了遥感图像像元亮度值与光辐射照度、月面地形(像元地面坡度、坡向)之间的定量关系;研究了月面遥感数字图像地形辐射改正的原理方法并实现月面遥感数字图像的地形辐射改正,生成无阴影正射月表遥感图像。

提出了一种新的基于从明暗恢复形状的月球表面三维形状恢复算法。首先,分析了在太阳光照条件下月球表面的成像模型,建立了基于Lunar-Lambert反射模型的图像辐照度方程。然后由图像辐照度方程建立相应的静态Hamilton-Jacobi方程,使用Lax-Friedrichs sweeping方法逼近其粘性解,得到表面三维高度。最后通过对合成图像和实际月球图像进行三维形状恢复,实验结果表明提出的新算法可以有效地应用于月球表面的三维形状恢复。

由于月球表面的地形起伏引起月面遥感图像像素与太阳相对位置和几何取向不一致,导致月面遥感数字图像上阴影像素的产生。为了解决这一问题,利用与遥感图像匹配的DEM和光照方位参数进行遥感图像的阴影判断,基于DEM数据,利用邻坡反射辐射,进行自然地形条件下的月表遥感图像阴影像素的阴影消除,恢复成太阳光谱照度相等(入射角,反射角和距离相同)时的像素遥感值。仿真实验结果表明:该方法较好地消除了月表影像的阴影,充分恢复了月表影像的反射/光谱特征。

提出了一种基于Shape-from-Shading的月球表面三维形状恢复算法。首先分析了在太阳光照射下月球表面成像模型,建立了使用Lommel-Seeliger反射模型描述的反射图方程。然后用有限差分近似微分运算,将反射图方程所示的一阶变系数线性偏微分方程进行离散化处理,得到关于表面高度函数的代数方程。进而采用超松弛迭代法进行求解,获得月球表面三维高度函数值。最后使用合成图像和实际月球图像进行三维形状恢复仿真实验。实验结果表明提出的算法可以有效地恢复月球表面三维形状。

月面热环境探测是我国探月工程中的一项必要工作,具有重要的工程意义和科学意义。文章主要探讨月球表面热环境的测量技术方案,为研制一种技术性能先进并可在我国探月工程中搭载的月面热环境测量仪器作好必要的技术准备。这是一种兼顾工程需要与科学性的用于热测量的有效载荷,可实地获取月表热环境特性参数,既可为后续的月面活动提供可靠的热控设计依据,又可为月球的相关科学研究提供必要的基础数据。

月球表面地形数学模型的建立是月球探测器和月面巡视探测器研制的基础,是登月飞行器和科学探测仪器设计的重要输入条件和约束条件。文章根据国外公布的月表地形模型进行分析,建立数字高程模型,对地形进行数字化描述和表示,生成月表光滑月海区域仿真地形数据。该数据能够为一般任务提供数据支持。

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。

通过月球天文计算,建立了以太阳辐射、月球辐射和太阳反照参与的月球表面辐射系统模型,并考虑了月球表面从周围通过导热传入的热量,从而可以模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度。模拟结果表明,随着纬度升高,月球表面太阳辐射强度降低,月球表面的温度也随之降低。月面温度变化周期一般为约29天;受月球的黄赤夹角影响,在纬度为90°时,温度变化周期约为178天。建立的月球表面温度模型,与较缺稀的月球实测资料进行了比较,表明本模型可较准确的模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度,为探月设备的热设计与热控制提供研究基础。

月面热环境探测是我国探月工程中的一项必要工作,具有重要的工程和科学意义。文章从工程角度确定了月面热环境测量的主要物理参数,分析了现阶段我国探月工程中实现月面热环境测量的技术条件和要求;对国内外有关材料热物性测量技术进行了综合调研,了解了国内外关于开展行星表面热环境探测的技术及应用现状;在结合我国航天测量技术的基础上对月面热环境测量所涉及的关键技术进行了分析,并初步勾勒出我国探月工程中月面热环境测量装置的指标、任务和实现方案。