载人航天器月地返回再入问题研究

结合国外探月返回再入飞行的工程实践情况,对国外载人航天器月地返回再入几何约束、再入走廊约束、航天员过载限制约束,以及再入轨道、再入航程、再入方式和气动外形的选择策略进行了研究和分析。文章的研究结果可为我国载人探月及载人深空探测航天器返回再入设计提供参考。     

Chapman理论在再入走廊计算中的应用

再入走廊给出了飞行器满足任务要求、并安全返回地球的再入飞行范围,它是再入轨道优化、再入方案设计、再入飞行任务规划等的重要部分。文章通过再入动力学建模,引入Chapman假设,进行了航天器从外层空间返回的再入走廊的研究,分析了影响再入走廊边界的重要因素,并以航天飞机为例计算了再入走廊,验证了该分析方法的正确性。     

航天器跳跃式返回的再入动力学特性仿真

深空高速再入返回是航天返回技术面临的新问题。研究采用跳跃式返回方式解决高速再入产生的高过载、高热流峰值问题。建立了完整的航天器再入大气层飞行动力学模型;依据航天器跳跃式返回飞行剖面和返回飞行的运动特性,将再入大气过程划分为初始再入段、初次再入下降段、初次再入上升段、大气层外飞行段和二次再入段,详细研究了各飞行段航天器的动力学特性,简要分析了各阶段的制导任务。通过分析仿真结果,初步摸清了航天器深空飞行跳跃式再入动力学特性。     

新一代载人飞船试验船发射成功 中国迈出探索浩瀚宇宙新一步

正由中国航天科技集团有限公司所属中国空间技术研究院自主研制的我国新一代载人飞船试验船在海南文昌发射场成功发射并顺利进入预定轨道,标志着中国载人航天工程迈出了探索浩瀚宇宙新的一步。新一代载人飞船是面向我国近地空间站运营、载人月球探测等任务需求而论证的新一代天地往返运输飞行器,具备高安全、高可靠、适应多任务和模块化设计特点,此次飞行试验任务将对新一代载人飞船高速再入返回防热、控制和群伞回收相关关键技术进行飞行验证,将夯实中国人更高效、安全、经济地开展有人参与的深空探测的坚实基础。     

月地高速再入返回航天器时统设计及验证

月地再入返回航天器在第二宇宙速度下实现服务舱和返回器分离,返回器以半弹道跳跃方式准确地再入并着陆在预定回收区,为了保证返回器的导航精度,对返回航天器的时间精度有一定的要求。为此,文章提出适用于二级信息拓扑结构的多舱段航天器的器上时间维护系统(简称"时统")和相应的地面验证系统设计。通过理论分析和地面验证试验,并结合月地高速再入返回航天器真实在轨飞行数据分析,证明此时统设计能够在较长时间内使月地再入返回航天器的器上时间精度保持在较高的水平。     

月球探测再入返回试验后续飞行方案研究

对于中国月球探测再入返回飞行试验的剩余推进剂,研究并设计了后续飞行方案。首先,基于月球探测再入返回飞行试验任务结束后的轨道和卫星状况,分析了可行的探测目标,确定了以日地月空间和相应平动点作为探测目标的后续飞行方案。其次,针对后续飞行方案中的轨道设计与控制需求,研究了平动点轨道直接转移入轨方法和不同系统的平动点轨道转移方法。相对于目前常见的基于不变流形的平动点转移轨道设计方法,文章方法无需进行大量的流形计算,因而计算步骤简单,计算量大大降低,尤其便于实际飞行任务应用。最后,设计了后续飞行方案的飞行轨道和相应的控制方案,同时分析了控制操作的地面测控条件。研究结果表明,基于月球探测再入返回飞行试验任务的剩余推进剂,完全可以在日地月空间开展多项具有创新性和重要应用价值的飞行试验验证,为我国后续"夸父"和月球探测等深空探测任务积累宝贵的测控技术和经验,同时为后续深空探测的"多目标多任务"设计思路提供有益借鉴。     

月球返回再入着陆场位置选择限定因素分析

月球返回再入着陆场不仅影响月-地返回转移和返回再入飞行,同时也影响整个月球飞行任务的规划和设计.文章首先分析了航天器与地-月间的相对位置关系;结合月-地返回转移及返回再入轨道特性,理清了月球、地球着陆场和航天器三者在惯性空间内相对位置的内在约束关系;最后分析并通过仿真研究,明确了制约航天器返回再入着陆场位置选择的限定因...     

航天器多子网时间同步系统设计与验证

为了保证多舱段多子网深空探测器在交会对接、着陆下降、再入返回等特定任务阶段的导航精度要求,针对探测器中各子网守时时间与地面标准时间同步的精度需求,对国内外多子网航天器典型组网方式和时间传输机制进行了研究和分析。在此基础上,文章提出了一种典型的多子网深空探测器时间同步设计方案,采用了基于上下级子网和对等子网相结合的时间同步机制,设计了时间传输机制保证时间维护和发布的精度。经过理论分析和地面试验,文章所述时间同步系统设计方案可以在无GPS卫星支持的条件下,长时间内实现时间精度的自主维护,满足深空探测任务的器地时间同步需求。该设计方案已成功应用于某多子网深空探测器并通过了验证,可为未来深空探测任务相关设计提供参考。     

德国投资研发航天器返回技术

宇宙飞船、载人探测器等航天器返回的前提是再入技术的发展。德国赫姆霍茨研究联合会目前为此向联合课题“SHEFEX／REX”投资900万欧元,用来扩展再入技术的研究,同时也为欧洲与德国航天工业的创新建立基础。     

轻小型再入飞行器发展研究

为实现深空探测无人取样返回任务,目前国外普遍采用轻小型化返回飞行器,并已取得较大成功。文章概述了星尘号、起源号和隼鸟号3个典型深空高速再入返回器的情况及技术特点,在此基础上分析了我国开展轻小型再入返回器研究的技术需求及发展建议,指出需要在高速再入返回气动技术、轻小型高速再入返回热防护技术、超声速降落伞回收技术、轻小型机构与综合电子技术等方面进行突破。     

RLV再入标准轨道制导与设计

将可重复使用运载器(RLV)再入轨道设计分为纵向轨道和侧向轨道设计两个过程:首先引入形状约束因子,在不进行轨道积分的情况下,在再入走廊内快速优化设计RLV再入飞行剖面;然后结合轨道跟踪控制,设计侧向方位误差走廊,快速生成满足末端能量管理(TAEM)接口和航程等要求的再入轨道。进一步提出修正标准飞行剖面参数的航程更新及制导方法,并采用RLV概念模型进行仿真分析。仿真结果表明这种RLV再入轨道设计方法能够快速生成再入标准轨道,相应的RLV再入制导方法可行,且具有较高的制导精度和可靠性,鲁棒性好。     

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。     

Crew autonomy for deep space exploration: Lessons from the Antarctic Search for Meteorites

Future piloted missions to explore asteroids, Mars, and other targets beyond the Moon will experience strict limitations on communication between vehicles in space and control centers on Earth. These limitations will require crews to operate with greater autonomy than any past space mission has demonstrated. The Antarctic Search for Meteorites (ANSMET) project, which regularly sends small teams of researchers to remote parts of the southern continent, resembles a space mission in many ways but does not rely upon a control center. It provides a useful crew autonomy model for planners of future deep space exploration missions. In contrast to current space missions, ANSMET gives the crew the authority to adjust competing work priorities, task assignments, and daily schedules; allows the crew to be the primary monitor of mission progress; demands greater crew accountability for operational errors; requires the crew to make the most of limited communication bandwidth; adopts systems designed for simple operation and failure recovery; and grants the crew a leading role in the selection and stowage of their equipment.     

航天飞机的再入飞行走廊及再入飞行轨迹

在研究航天飞机再入返回问题时,确定再入飞行走廊和再入飞行轨迹是基础的研究问题之一。对于这方面的工作,参考文献[1]作了较详细的介绍。国内的一些作者在航天飞机方案论证时开始注意考虑这类重要的问题[2、3、4]。然而,他们所讨论的基本模型没有考虑地球自转对再入运动的影响。这种近似模型,对深入一步的方案论证就显得不能满足了。本文建立了一个精确的模型,给出与方案论证有关的仿真结果。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

A space exploration strategy that promotes international and commercial participation

NASA has created a plan to implement the Flexible Path strategy, which utilizes a heavy lift launch vehicle to deliver crew and cargo to orbit. In this plan, NASA would develop much of the transportation architecture (launch vehicle, crew capsule, and in-space propulsion), leaving the other in-space elements open to commercial and international partnerships. This paper presents a space exploration strategy that reverses that philosophy, where commercial and international launch vehicles provide launch services. Utilizing a propellant depot to aggregate propellant on orbit, smaller launch vehicles are capable of delivering all of the mass necessary for space exploration. This strategy has benefits to the architecture in terms of cost, schedule, and reliability.     

基于平衡滑翔的升力再入攻角设计分析及应用

针对面对称中高升阻比飞行器再入攻角的优化问题,从工程角度系统分析了升力再入攻角优化问题的多种约束,基于平衡滑翔条件结合失速攻角、初始再入攻角和平衡滑翔攻角等,得到了再入段飞行的攻角设计空间,并给出了再入攻角剖面设计的具体可行方法。所提出的设计方案可用于快速选定满足各种过程约束的速度-攻角剖面;将该攻角设计方法应用于覆盖区优化问题,在继承已有方法的快速求解速度下,仿真结果及对比表明所规划的攻角剖面具有与直接法相似的最优性。