“长征”五号运载火箭成功发射“天问”一号火星探测器

正2020年7月23日12时41分,"长征"五号运载火箭在中国文昌航天发射场点火起飞。中国迈出行星探测的第一步——奔向火星。这是"长征"五号运载火箭首次执行应用性发射,成功将"天问"一号火星探测器送入预定轨道。"天问"一号火星探测器由着陆巡视器和环绕器组成,着陆巡视器包括进入舱和火星车。在地火转移轨道飞行约7个月后,"天问"一号探测器将到达火星附近,通过"刹车"完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。     

我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。     

“天问”一号火星探测器降落伞研制回顾

正2021年5月15日,我国第一个火星探测器"天问"一号终于踏上了着陆火星的征程,01时许,"天问"一号由停泊轨道转入火星进入轨道。3h后,环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器独自奔赴火星。又3h后,着陆巡视器进入火星大气,开始气动减速。4min后,火星降落伞弹出,充气展开,开始伞系减速,又4min后,降落伞完成减速使命,与着陆平台分离,着陆平台进入动力减速阶段。1min后,着陆平台平稳着陆在火星表面。作为气动减速的主要装置,降落伞不辱使命,表现完美。"天问" 一号所用的降落伞由北京空间机电研究所研制。     

“天问一号”火星环绕器总体设计综述

"天问一号"火星环绕器实现了中国首次自主火星探测任务"绕"的目标,通过携带的遥感探测类载荷实现火星空间环境和表面环境的探测。文章通过与国外火星环绕探测器在探测目标、平台能力等方面的对比分析,介绍了"天问一号"火星环绕器的总体设计方案;同时,通过飞行过程的环境特点与任务剖面分析,给出了"天问一号"火星环绕器设计的技术难点与挑战。最后,进一步对技术特点进行了总结。     

轻质化高性能中室压推进系统助力天问一号实现首次火星探测任务

正天问一号首次火星探测任务通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项工作目标,开展火星全球性、综合性的环绕探测,以及在火星表面开展区域性的巡视探测。这是一次中国航天史上深空探测的重要里程碑。本次任务的火星探测器系统由环绕探测器和着陆巡视器组成。环绕探测器只在火星的轨道上飞行,相当于火星的卫星。着陆巡视器则真正进入到火星的大气层,并在火星表面着陆。中室压推进系统是着陆巡视器的动力减速装置(图1)。     

考虑J2项摄动的星座相对运动控制

利用轨道某些要素(偏心率，升交点赤经和倾角)的差别可以构成由一颗中心星和几个环绕星组成的近距离星座。在理想中心引力场下，环绕星运行轨迹在水平面投影可以呈现封闭圆形。在地球引力摄动时，这种空间形状将逐渐发散。为此，本文考虑J2项摄动的影响，设计了对其具有鲁棒性的环绕星相对轨道；进而导出了带有J2项摄动的环绕星相对运动方程，并给出了基于惯性笛卡尔坐标系运动学变量的相对轨道控制方法。分析和仿真结果表明，这种控制方法能够实现星座相对运动的高精度控制。     

利用升交点经度进行轨道设计的方法

以升交点经度的范围来描述所有能覆盖到目标的轨道。利用球面三角方法详细讨论了在考虑地球形状Ｊ２项的摄动影响时，各种情况下能覆盖目标点的轨道的升交点经度范围，并将其推广到对区域目标的覆盖，给出了完整的解析表达式。结合实例给出了利用该表达式进行有连续覆盖、覆盖次数及过顶时间要求时的轨道设计方法。该方法的优点是无需进行轨道读物计算，仅用解析表达式即可快速地设计出满足覆盖要求的轨道。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号（YH-1）火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。     

荧火一号火星探测器姿控平台验证演示技术

设计了一种基于STK轨道动力学的萤火一号(YH-1)火星探测器姿控仿真平台.介绍了平台的组成和信息交互、STK场景建模及接口设计.平台结合火星环境和探测器轨道特点,利用STK轨道计算功能,实时输出探测器环火轨道参数至动力学计算机,并接收动力学软件产生的探测器姿态信息,以此为基础进行姿控分系统半物理仿真试验及整器闭环试验,在STK动态场景中对探测器各姿控模式进行验证及演示.     

基于普适变量法的火星探测器轨道初步设计及仿真

对基于普适变量的火星探测器轨道初步设计进行了研究。设计了地火转移轨道段、地球逃逸轨道段,以及基于B平面法的中途修正方法。绘制了2013年火星探测发射和到达能量等高图,将得到地火转移轨道的初始参数输入STK软件获得了空间真实摄动环境中的火星探测轨道。     

基于迭代修正方法的严格回归轨道设计

通过分析太阳同步回归轨道的轨道根数和星下点经度/纬度的关系,推导了一组轨道根数的修正公式。基于高精度轨道动力学模型和升交点位置确定方法,构造了关于轨道半长轴和轨道倾角的迭代修正方法。针对偏心率矢量的动力学系统所具有的极限环特性,构造了平均法求其解析近似,从而实现冻结轨道特性对偏心率和近地点幅角的迭代修正。结合迭代修正,得到一组严格回归的轨道根数。该轨道能够重访空间目标点,具有较高的回归精度。     

椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。
     

飞行器围绕小行星的轨道运动

分析了飞行器围绕小行星轨道运动的特点，介绍了所建立的表述这一问题的理论基础。采用三种不同方法从几个侧面揭示了这一问题的本质特征。给出了所完成的研究这一问题的进展、结果和相互联系，其中包括轨道摄动、共振运动和周期轨道运动。这一问题的核心和难点是轨道的稳定性问题。     

摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

地球磁场对带电赤道卫星的轨道半长轴和偏心率的摄动影响

本文利用摄动理论研究了带电的赤道卫星在地球磁场中做椭圆轨道运动时地磁摄动力对轨道半长径和偏心率的摄动影响。研究结果表明：地磁场对带电赤道卫星的轨道半长径没有摄动影响，既无周期摄动，也无长期摄动，但对轨道偏心率有摄动影响，且只有周期性摄动，而无长期摄动。当卫星自身带电量较大时，这种摄动影响必须予以考虑     

火星轨道交会自主导航与制导方法

对火星采样返回任务中的火星轨道交会自主导航和制导技术进行了研究。采用光学自主导航敏感器测量的火星中心方向和视半径，相对敏感器测量的相对位置等观测量，设计了导航滤波器同时估计轨返组合体和上升器的轨道。在导航滤波器设计中，针对光学自主导航敏感器更新频率远低于滤波解算频率的问题，设计了一种连续观测量构造算法，确保每个滤波周期均可进行测量更新，以提高导航精度。基于导航滤波器估计结果，采用T-H制导设计了4脉冲共椭圆交会策略实施轨道控制，从而构成近程交会自主导航和制导方案用于完成火星轨道交会任务。通过数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析

文章分析了月球复杂的重力场环境对月球卫星轨道运行的影响。通过月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的对比分析,结果表明月球重力场存在较大异常,并由此引起月球卫星轨道发生较大漂移。另外,月球冻结轨道在带谐项影响下还存在中等周期的漂移,仅简单考虑带谐项系数无法求得完美的月球冻结系数。由于月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球轨道卫星情况相比存在很大差异,因此月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计必须充分考虑此影响。     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。