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[话题讨论] [原创翻译]印度自己对Vikram着陆器失败的分析报道

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发表于 2019-11-8 14:37 超大游击队员 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 乜獬豸 于 2019-11-8 21:43 编辑

https://zine.la/article/798937d0fab4473d9b505f955b9dbbe3/

这是在《今日印度》上的专题报道,文章很长,俺看着觉得不错,特地翻译出来~~~

Chandrayaan-2降落:Vikram到底出了什么问题

事故发生在着陆器降落在月球的编程转换阶段 - 该阶段迄今为止从未被ISRO测试过,并面临无数可能的变化。

在9月7日,在它精准降落月球表面出现神秘偏差之前,Vikram承载了很多。上面有紧凑型的Pragyan月球车,其轮子上印有Ashoka标志,可以在月球上留下印度存在的永久标记。如果以国家航天计划之父Vikram Sarabhai的名字来命名的着陆器获得成功,那将是印度空间研究组织 (ISRO) 成立50周年庆典的最佳收场。这也是向世界发出了信号,表明印度在太空探索方面已经成熟,并使印度成为仅次于美国,前苏联和中国之后的第四个实现在月球软着陆的国家。巧合的是,这也将是纳伦德拉·莫迪领导的政府第二任期的第100天。

ISRO主席Kailasavadivoo Sivan比其他任何人都更加清楚地意识到,带着国家的期望所推动这项特殊的太空活动中所涉及的风险。他告诉《今日印度》杂志,在火箭科学中,总是存在着未知的变数。自1958年以来人类所执行的109次月球任务中,只有61次或者说是略多于一半的任务获得了成功。而在像Chandrayaan 2这样的,计划进行软着陆的46个任务中,只有21个取得了成功,略少于一半。ISRO于2008年首次成功发射的Chandrayaan 1号轨道飞行器绕月飞行,并且配有带有各种仪器的撞击月球的探测器,撞击到了月球的表面。在它碎裂之前,传递回了有关月球上有水分子存在的重要信息。之后,在2014年,ISRO再次震惊世界,首次尝试就成功地将飞船Mangalyaan送入了火星轨道。到9月24日,Mangalyaan将在这颗红色星球的轨道上运行达到其第5个年头,并将继续发回数据。不过,尽管取得了所有的这些成就,但是要将月球车在月球上进行软着陆以探索其表面仍会涉及到大量的ISRO必须掌握的新挑战和复杂的技术。因此,即便对登月引发的举国兴奋抱有同感,这位资深的太空发射专家Sivan也引人注目地承认,Vikram从其轨道高度下降到月球表面的阶段,对于印度的太空科学家们来说将是恐怖的15分钟。

不幸的是,对于Sivan和ISRO,他的忧虑结果是有先见之明的。有总理在位于班加罗尔的任务指挥中心现场观看,那15分钟是让人感到失望和绝望的。当Vikram在月球表面上方2.1公里处进行了一些重要的机动的时候,太空科学家们在第12分钟就与其失去了联系,不知道随后发生了什么。尽管ISRO于9月10日宣布Chandrayaan 2号轨道飞行器已在月球表面拍摄到了Vikram的照片,但随后一直淡化此类的报道。当被问及到在月球表面发现Vikram的重要性时,Sivan告诉《今日印度》,这没有任何意义。我们无法与之建立起任何形式的通信,除非我们能做到,否则毫无意义。更重要的是,Sivan还表示,科学家们仍在分析细节,而对于着陆器出了什么问题仍尚无答案。

那么,为什么Vikram在下降的最终阶段的最后3分钟里表现得如此失常,导致任务突然终止?虽然有官方的失利分析委员会正在调查原因,《今日印度》还是与许多太空科学家和专家进行了交谈,以还原出印度的这个声名赫赫的着陆器到底可能出了什么问题。

曲折的开局
现在,回顾一下Vikram的历史可以帮助人们了解为什么月球着陆器是一项复杂的事业,以及为什么会有一半的这类任务都以失败告终。印度最初在首次尝试在月球表面进行软着陆时没有计划建造自己的着陆器。甚至在本土建造的Chandrayaan 1轨道飞行器发射之前,ISRO就已经决定他们可以利用俄罗斯联邦航天局 (Roscosmos) 的帮助和经验来完成Chandrayaan 2任务,并在2007年11月与其签署了一项协议。对于印度-俄罗斯联合登月任务,ISRO将主要责任轨道器;而俄罗斯则负责着陆器和月球车。计划于2012年发射。尽管ISRO已如期准备好按轨道器,但Roscosmos还是在2011年12月退出了该协议。这是在与中国航天局合作的,将一个着陆器和一辆探测车着陆于火星的一颗卫星上的Phobos-Grunt任务失败之后。ISRO于是决定将自行建造一个着陆器和月球车,并计划于2016年发射。与此同时,该组织将重新规划了Mangalyaan火星轨道器,让其创纪录地继续完成任务。

尽管ISRO在建造运载火箭和卫星上具有丰富的经验,但很快就发现设计和开发了着陆器和月球车是一项复杂而艰巨的任务。根据ISRO的U.R. Rao卫星中心前主任,并且去年还在负责星际飞行任务的M. Annadurai的说法,就像我们发射Chandrayaan 1月球轨道飞行器,再打出一个探测器撞击月球,或向火星发送轨道飞行器是一回事。但是释放一个轨道飞行器,并使其软着陆在月球表面上是极为复杂,更具挑战性的。ISRO所需要掌握的关键技术是一个灵活的推进系统,可以调节着陆器的下降,以及一个可以引导和导航的控制系统,以将航天器放置在月球表面的预定的位置上。这些技术都是在过去5年中开发的,现在它们是Vikram任务过早终止的主要元凶。

登月方案
9月4日,在从Chandrayaan 2轨道器上分离出来后,Vikram以每秒1,680米的速度 (即每小时6,048公里,是商用喷气机速度的6倍) 绕月球运行,高度是在月球表面上的30公里。在下降阶段的13分钟内,必须以可控的方式将这个速度和高度降低到几乎为零。着陆器将使用ISRO为此任务而开发的5台火箭发动机和8台安装在其基座上的微型姿态控制推进器所组成的阵列来执行此操作。火箭发动机都是设计为可调节流量的,其推力随燃料流量的调节而变化,就像汽车中的油门一样。


Chandrayaan-2降落:Vikram到底出了什么问题

事故发生在着陆器降落在月球的预编程下降转换阶段 - 该阶段迄今为止从未被ISRO测试过,并面临无数可能的变化。

在9月7日,在它精准降落月球表面出现神秘偏差之前,Vikram承载了很多。上面有紧凑型的Pragyan月球车,其轮子上印有Ashoka标志,可以在月球上留下印度存在的永久标记。如果以国家航天计划之父Vikram Sarabhai的名字来命名的着陆器获得成功,那将是印度空间研究组织 (ISRO) 成立50周年庆典的最佳压轴戏。这也是向世界发出了信号,表明印度在太空探索方面已经成熟,并使印度成为仅次于美国,前苏联和中国之后的第四个实现在月球上实现软着陆的国家。巧合的是,这也将是纳伦德拉·莫迪领导的政府第二任期的第100天。

ISRO主席Kailasavadivoo Sivan比其他任何人都更加清楚地意识到,带着国家的期望所推动这项特殊的太空活动中所涉及的风险。他告诉《今日印度》杂志,在火箭科学中,总是存在着未知的变数。自1958年以来人类所执行的109次月球任务中,只有61次或者说是略多于一半的任务获得了成功。而在像Chandrayaan 2这样的,计划进行软着陆的46个任务中,只有21个取得了成功,略少于一半。ISRO于2008年首次成功发射的Chandrayaan 1号轨道飞行器绕月飞行,并且配有带有各种仪器的撞击月球的探测器,撞击到了月球的表面。在它碎裂之前,传递回了有关月球上有水分子存在的重要信息。之后,在2014年,ISRO再次震惊世界,首次尝试就成功地将飞船Mangalyaan送入了火星轨道。到9月24日,Mangalyaan将在这颗红色星球的轨道上运行达到其第5个年头,并将继续发回数据。不过,尽管取得了所有的这些成就,但是要将月球车在月球上进行软着陆以探索其表面仍会涉及到大量的ISRO必须掌握的新挑战和复杂的技术。因此,即便是对登月引发的举国兴奋抱有同感,这位资深的太空发射专家Sivan也引人注目地承认,Vikram从其轨道高度下降到月球表面的阶段,对于印度的太空科学家们来说将是恐怖的15分钟。

不幸的是,对于Sivan和ISRO,他的担忧最终证明是有先见之明的。有总理在位于班加罗尔的任务指挥中心现场观看,那15分钟是让人感到失望和绝望的。当Vikram在月球表面上方2.1公里处进行了一些重要的机动的时候,太空科学家们在第12分钟就与其失去了联系,不知道随后发生了什么。尽管ISRO于9月10日宣布Chandrayaan 2号轨道飞行器已在月球表面拍摄到了Vikram的照片,但随后一直淡化此类的报道。当被问及到在月球表面发现Vikram的重要性时,Sivan告诉《今日印度》,这没有任何的意义。我们无法与之建立起任何形式的通信,除非我们能做到,否则就毫无意义。更重要的是,Sivan还表示,科学家们仍在分析细节,而对于着陆器出了什么问题仍尚无答案。

那么,为什么Vikram在下降的最终阶段的最后3分钟里表现得如此失常,导致任务突然终止?虽然有官方的失利分析委员会正在调查原因,《今日印度》还是与许多太空科学家和专家进行了交谈,以还原出印度的这个声名赫赫的着陆器到底可能出了什么问题。

曲折的开局
现在,回顾一下Vikram的历史可以帮助人们了解为什么月球着陆器是一项复杂的事业,以及为什么会有一半的这类任务都以失败告终。印度最初在首次尝试在月球表面进行软着陆时并没有计划建造自己的着陆器。甚至在本土建造的Chandrayaan 1轨道飞行器发射之前,ISRO就已经决定他们可以利用俄罗斯联邦航天局 (Roscosmos) 的帮助和经验来完成Chandrayaan 2任务,并在2007年11月与其签署了一项协议。对于印度-俄罗斯联合登月任务,ISRO将主要负责轨道器;而俄罗斯则负责着陆器和月球车。计划于2012年发射。尽管ISRO已如期准备好了轨道器,但Roscosmos还是在2011年12月退出了该协议。这是在与中国航天局合作的,将一个着陆器和一辆探测车着陆于火星的一颗卫星上的Phobos-Grunt任务失败之后。ISRO于是决定将自行建造一个着陆器和月球车,并计划于2016年发射。与此同时,该组织也重新规划了Mangalyaan火星轨道器,让其创纪录地继续完成任务。

尽管ISRO在建造运载火箭和卫星上具有丰富的经验,但很快就发现设计和开发着陆器和月球车是一项复杂而艰巨的任务。根据ISRO的U.R. Rao卫星中心的前主任,并且去年还在负责星际飞行任务的M. Annadurai的说法,就像我们发射Chandrayaan 1月球轨道飞行器,再打出一个探测器撞击月球,或向火星发送轨道飞行器是一回事。但是释放一个轨道飞行器,并使其软着陆在月球表面上是极为复杂,更具挑战性的。ISRO所需要掌握的关键技术是一个灵活的推进系统,可以调节着陆器的下降,以及一个可以引导和导航的控制系统,以将航天器放置在月球表面的预定的位置上。这些技术都是在过去5年中开发的,现在它们是Vikram任务过早终止的主要元凶。

登月方案
9月4日,在从Chandrayaan 2轨道器上分离出来后,Vikram以每秒1,680米的速度 (即每小时6,048公里,是商用喷气机速度的6倍) 绕月球运行,高度是在月球表面上的30公里。在下降阶段的13分钟内,必须以可控的方式将这个速度和高度降低到几乎为零。着陆器将使用ISRO为此任务而开发的5台火箭发动机和8台安装在其基座上的微型姿态控制推进器所组成的阵列来执行此操作。火箭发动机都是设计为可调节流量的,其推力随燃料流量的调节而变化,就像汽车中的油门一样。

同时还开发了控制和制导系统,来应对登月的复杂性。由于地球与月球之间的距离为38.84万公里,因此从任务控制中心发出的指令到达飞船之前要经过一秒多的延时,而再将其完成指令的数据中继回来时又要经过一秒多的时间。由于Vikram迅速下降到月球表面时必须在几毫秒内做出决策,因此ISRO开发了一套完全自主的制导和控制系统,以处理在这15分钟飞行中可能出现的所有紧急和异常情况。该飞行器还配备了高精度的测量仪器,可以监测其相对于月球表面的速度,高度,姿态,方向和位置,从而使得Vikram的内部计算机能够实时做出决策。在设计飞船的控制和推进系统时,还要牢记月球的引力仅是地球的六分之一。这些系统都经过了严格的测试,模拟了月球上不稳定的重力剖面所相对应的条件。

还有在进行测试中的是ISRO在两年前所制定的新的动力下降方案。在设计着陆器时,ISRO科学家最初决定只使用4台发动机,而不是5台。在这种配置下,各台发动机和制导控制系统将使速度和高度逐渐降低,直到月球表面上方的约10米。但随后引起关注的问题是,在此距离处的发动机的推进器会引发一次小型的月球沙尘暴,这将包裹飞行器并将损坏其关键设备。之后,ISRO决定关闭所有的4台发动机,并加强飞行器的4个支腿,以承受从该高度自由下落,而不会损坏着陆器或月球车。并计划于2018年1月发射。

同时,对于月球着陆器用4台发动机控制的下降所产生的风险,太空科学家们之间爆发了激烈的争论。ISRO后决定通过在着陆器底部中心引入第5台发动机来绕开自由落体的下降方案。这将具有两个优点。只有在所有其他4台发动机都在10米处关闭后,第5台发动机才被点火,并确保有动力的受控下降,直到着陆。而且由于这台发动机位于飞行器的中央,因此它所吹起的尘埃会被吹开。这项决定将给飞行器增加了更多的重量:连同其他的配置变化,带有轨道器,着陆器和月球车的Chandrayaan 2组合现在的总重量达到了3.8吨。这意味着发射地球同步卫星的运载火箭,即GSLV MarkII将不再适合于作为其运载工具,因为它只能运载2-3吨的有效载荷。因此,Chandrayaan 2项目团队不得不等待ISRO的最重型的GSLV MarkIII运载火箭完成验证。ISRO并未等待全部试验发射完成,而是决定冒险在GSLV MarkIII的首次正式发射中就发射Chandrayaan 2。事实证明,在最初的担忧之后,GSLV MarkIII运载火箭在2019年7月22日进行了一次完美的发射,将Chandrayaan 2送入了其月球之旅。

摇摆
对于Vikram登月过程,ISRO制定了沿抛物线动力下降的轨道,分为4个不同的阶段。下降过程始于该航天器位于月球表面上方约30公里,距着陆点650公里的距离时开始。在第一阶段,被称为“初始制动阶段”,持续10分钟20秒,Vikram将利用其强力的发动机将其每秒1648米的水平速度制动到每秒150米左右。在此阶段,它的高度将从30公里下降到7.4公里。在与轨道器分离,并围绕月球独立旋转的同时,Vikram的5台发动机的喷嘴将面对着其旋转的方向,而不是背对着。在下降阶段开始时,其机载计算机会点燃5台发动机中的4个台,以稳定地降低其速度。为了确保飞行器的水平和垂直速度都在参数范围内,所有4台发动机都必须以完美的同步性点火。如果其中的一台发动机出现了偏差,则计算机已预先编程来使用其他的发动机来提供偏差推力来纠正异常。

全印电视台的直播显示,科学家在“初始制动阶段”结束时鼓掌,表明其是成功的。但是也有一些专家认为,有迹象表明在此阶段已经开始出现了问题。因为在该阶段结束时的水平速度 (飞行器的移动速度) 应该为每秒约150米,但在任务指挥中心的大型控制台上的读数却显示,每秒约为200米,比原本应有的速度要更快。另一方面,垂直速度,即着陆器下降的速度在每秒70米至68米之间徘徊了几秒钟。

正是在此时,进入到了被称为“绝对导航阶段”(ANP) 的第二阶段,该阶段持续大约40秒。在这一阶段,Vikram应该要纠正在“初始制动阶段”期间的关键导航参数 (例如其高度和速度) 的计算中的任何错误。为此,它会通过核对机载测量仪器 (包括拍摄月球地形的相机) 的读数来测量Vikram的速度和高度。航天器的速度,高度或倾斜度的偏离将由自动控制系统来进行纠正,这些自动控制系统会根据需要来做出自己的逻辑决策。正如一位资深科学家所说的那样,可以计算并输入计算机的紧急情况和错误的数量仅受制于您的想象力限制。最好的控制系统是让科学家来自由发挥想象力,并规划出尽可能多的突发情况的可能给控制系统。

正是在这个短暂的ANP阶段,Vikram的受控下降异常开始加剧。在控制室中,模拟Vikram下降的大型控制台显示着陆器倾斜度达到了45度。它又莫名其妙地开始翻筋斗,使发动机喷口朝上而不是朝下 (见图:绝望的15分钟)。有一种解释是,机载计算机正在纠正航天器的高度,以使相机能够正确定位,以拍摄校准航天器所需重要参数的照片。但是,这种机动陷入了混乱,并导致垂直下降的速度是在增加而不是减小。另一种解释是,控制系统发现速度在下降并开始予以纠正,即便是速度仍在阈值之内。为了进行纠正,它首先错误地将飞船旋转了140度以提高速度,然后再将其反转到原始位置。但这时,航天器已经失去了方向和控制力。


(未完待续)

(原文:《今日印度》杂志2019-9-23)
(乜獬豸翻译)
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CDer:000401983
发表于 2019-11-8 19:39 | 显示全部楼层
说了半天,就几句话有用: 三哥没有矢量调姿发动机,用五部小推力逐步关机来模拟,  模拟的契合度不高,翻车了。

这模拟信号手机怎么也比不上数字信号手机。根上的问题,继续攀科技树吧。
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CDer:000172964
发表于 2019-11-8 21:25 超大游击队员 | 显示全部楼层
感谢楼主原创翻译,支持楼主!
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CDer:001080230
发表于 2019-11-9 17:44 超大游击队员 | 显示全部楼层
好文,期待有后续更新
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CDer:000892214
发表于 2019-11-9 18:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 wwe313 于 2019-11-9 18:31 编辑

没有专门研制变推力发动机 靠凑合永远也搞不好 靠异想天开绑几个发动机靠轮流熄火下降直接就推力失衡翻跟斗了
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CDer:001081974
发表于 2019-11-9 18:43 | 显示全部楼层
       好文。对文中只有一点,就是所谓绝望的15分钟,而非所谓的绝望3分钟。说了半天,还是在初始再入段就出了问题的。就是说,印度尚不能成熟掌握航天器再入技术,或说其洲际导弹的再入技术还需要补课。
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CDer:000427021
发表于 2019-11-9 18:54 超大游击队员 | 显示全部楼层
wwe313 发表于 2019-11-9 18:27
没有专门研制变推力发动机 靠凑合永远也搞不好 靠异想天开绑几个发动机靠轮流熄火下降直接就推力失衡翻跟斗 ...

这种着陆策略本就不适合以色列、印度这种后进航天国家,太多多余环节。
对于小型月球着陆器来说,最佳解决方案实际上就是曾经月球勘测者系列的撞击式着陆。
调整出一个撞击弹道,使用无线电高度计在一个较低的高度点燃大推力主减速发动机,减速完成后抛弃主减速级,然后在预定高度再次启动一个小推力着陆发动机。在这个过程中不需要任何的变推力,只需要将速度0的高度控制在着陆器强度允许的范围内。
NASA几年前与台湾中科院合作的月球车项目,都计划采用这种着陆策略,没什么丢人的,失败了才丢人……
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CDer:000469964
发表于 2019-11-9 19:33 超大游击队员 | 显示全部楼层
谢谢楼主翻译。好人一生平安。
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CDer:001042952
发表于 2019-11-10 01:34 | 显示全部楼层

RE: [原创翻译]印度自己对Vikram着陆器失败的分析报道

楠宫萧vn 发表于 2019-11-9 18:54
这种着陆策略本就不适合以色列、印度这种后进航天国家,太多多余环节。
对于小型月球着陆器来说,最佳解 ...

勘测者系列不是撞击着陆是软着陆,主减速级+三个小推力摇摆变推发动机。
https://baike.baidu.com/item/勘测者号/10635030

前一代的徘徊者1号到6号是硬着陆,主减速级+软木球撞击缓冲。6次都在发射和导航阶段失败,连照片都没拍到。后来又补了3次,放弃治疗没带减速级和着陆器,勉强成功拍到照片。
https://baike.baidu.com/item/徘徊者号/12589969
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CDer:000427021
发表于 2019-11-10 02:07 超大游击队员 | 显示全部楼层
启航太阳系 发表于 2019-11-10 01:34
勘测者系列不是撞击着陆是软着陆,主减速级+三个小推力摇摆变推发动机。
https://baike.baidu.com/item/ ...

撞击轨道着陆策略,不是说得硬着陆
另外三个小推力发动机并不是变推力发动机,推力调节只有80%左右。
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CDer:000249264
发表于 2019-11-10 02:56 超大游击队员 | 显示全部楼层
90%啰啰嗦嗦的吹牛
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CDer:000842892
发表于 2019-11-10 04:02 超大游击队员 | 显示全部楼层
楼主好文章,前些天打不开你的专栏,以为不写了。
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CDer:000300562
发表于 2019-11-10 09:25 超大游击队员 | 显示全部楼层
楠宫萧vn 发表于 2019-11-9 18:54
这种着陆策略本就不适合以色列、印度这种后进航天国家,太多多余环节。
对于小型月球着陆器来说,最佳解 ...

这些半三不四的国家要会搞月面着陆,我觉得应该用毛子月球9号的方案,用个高精度的激光高度计,计算好点火高度,直接一步减速到高度XX米时速度正好为0,然后气囊充气,气囊缓冲着陆,宣传上就说是学美帝的机遇号和勇气号,避免大众想起苏联的航天成就。
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CDer:001042952
发表于 2019-11-10 16:58 | 显示全部楼层

RE: [原创翻译]印度自己对Vikram着陆器失败的分析报道

ion 发表于 2019-11-10 09:25
这些半三不四的国家要会搞月面着陆,我觉得应该用毛子月球9号的方案,用个高精度的激光高度计,计算好点 ...

不入绕月轨道,发射变轨过程中出点偏差就完全失败没有挽救机会。
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CDer:000161977
发表于 2019-11-10 18:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
真的挺好的,GIII火箭第一次发射就敢打这个,对火箭是百分之百的成功
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CDer:001083234
发表于 2019-11-11 19:23 超大游击队员 | 显示全部楼层
合着现在对故障原因还没有一点眉目
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CDer:000126681
发表于 2019-11-12 20:46 超大游击队员 | 显示全部楼层
外行请教下,从控制上说,四台发动机的控制跟大疆那种四个螺旋桨的无人机控制应该没有本质区别吧,也就是速度,推力的差别,现在也很难做到吗?
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CDer:000584438
发表于 2019-11-13 06:33 | 显示全部楼层
总共就1.5个亿,不错了。空军败家子们买一架法国4.5代战斗机的钱。

方案太复杂了,对发动机和控制系统提出了过高的要求。如果能简化下要求,只要保证着陆后相机和通信天线能工作就行的话,再来一次说不定有戏。
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CDer:001112898
发表于 2019-11-13 08:31 | 显示全部楼层

RE: [原创翻译]印度自己对Vikram着陆器失败的分析报道

乐不思蜀 发表于 2019-11-12 20:46
外行请教下,从控制上说,四台发动机的控制跟大疆那种四个螺旋桨的无人机控制应该没有本质区别吧,也就是速 ...


我也是外行,但是我知道无人机的电动机是可以变推力调节的。编写飞控程序的时候肯定比开/关要简单的多啊。而且这两者的速度完全不是一个数量级,难度差太多了,无人机就算因为风力的影响导致姿态不稳定,也有时间去调节,登陆器一但姿态不稳就翻跟头砸下去了。
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CDer:000262545
发表于 2019-11-13 15:33 | 显示全部楼层
还不包括选定着陆点呢,万一降到小山头上也废了。我兔都是智能选择的!!!!
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CDer:000865049
发表于 2019-11-13 17:40 | 显示全部楼层

RE: [原创翻译]印度自己对Vikram着陆器失败的分析报道

乐不思蜀 发表于 2019-11-12 20:46
外行请教下,从控制上说,四台发动机的控制跟大疆那种四个螺旋桨的无人机控制应该没有本质区别吧,也就是速 ...

无人机旋翼是“变推力”
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