月地高速再入返回器气动辨识数据偏差分析

飞行试验是获取返回器在真实飞行条件下气动力参数的重要途径,气动辨识结果对于评估理论计算和风洞实验气动数据,改进气动设计具有重要意义。月地高速再入气动环境复杂,气动力预测困难,结果具有很大不确定性,因此给出气动辨识结果的偏差是十分必要的。本文针对月地高速再入飞行试验,发展了返回器气动力参数辨识方法,并利用返回器飞行试验数据提取到了关键气动力参数。研究了返回器气动辨识数据偏差分析技术,剖析了各误差因素产生的气动偏差,并分析了产生气动参数辨识偏差的主要因素。在此基础上利用蒙特卡洛分析方法,计算得到了所有误差综合影响条件下返回器气动辨识结果的偏差区间。结果表明,大气密度、加速度、姿态角、高度、速度等参数的测量误差是产生辨识偏差的主要因素,全程配平迎角的估计结果精度很高,高空稀薄大气段气动力系数和升阻比等参数偏差较大,利用修正克拉马-罗界作为准则计算俯仰力矩导数和喷流推力辨识偏差是可行的。本文获取的月地高速再入返回器气动辨识偏差结果,可以为返回器设计分析提供依据。     

月地低能返回轨道最优控制策略研究

为解决月球货运飞船采用的低能返回轨道对初值极为敏感的问题,研究了月地低能返回轨道的最优控制策略。首先基于椭圆四体动力学模型,分析了月地低能返回轨道的动力学特性;进而引入协方差分析法分析了轨道初始飞行状态的误差传播特性,确定了保证终端再入点高度约束要求的飞行器入轨点位置、速度以及入轨时刻控制精度需求;根据轨道对不同时期施加控制的敏感性不同,设计了一种三脉冲轨道控制策略,以实现既精确控制落点约束,又节约控制燃料消耗的目的。从仿真结果可知,该策略可有效控制月地低能返回轨道终端再入点精度,降低初始敏感度。该控制方案用于月地转移可显著降低对推进控制系统的精度需求,提高转移方案的工程可实现性。     

绕月返回飞行再入航程调整的轨道控制

绕月返回飞行的再入航程调整用于扩大发射窗口及应急轨道重构,采用2次联合的轨道控制实现。为求解2次轨道控制的速度增量,在瞬时再入平面内确定新再入状态并进行反向轨道外推得到新返回轨道,再通过指定2次轨道控制时刻,将2次轨道控制的联合求解转化为仅须求解第一次轨道控制速度增量的Lambert转移问题,并利用Lambert制导法或线性修正法进行求解。研究表明,速度增量与再入航程调整量呈线性关系,适当提前再入时刻、扩大2次轨道控制时间间隔有助于减小速度增量。将上述方法及结论用于绕月自由返回轨道再入航程调整轨道控制策略的计算分析,可为飞控方案设计提供依据。     

探月返回跳跃式再入标称轨迹制导律

针对目前大多数跳跃式再入制导方案在初次再入段采用数值预测-校正算法存在的计算量较大、在线应用困难的问题,提出了一种新的跳跃式再入标称轨迹制导方案。整条标称轨迹通过离线轨迹规划算法得到。在初次再入段,采用非线性预测控制算法来跟踪阻力加速度-能量剖面,将预测跟踪误差表示为依赖于控制量的截断泰勒展开式,然后寻找使得特定目标函数最小的控制量。进入二次再入段,采用类似于阿波罗末段制导的线性反馈跟踪方式,PID控制器系数通过插值得到。最后,在考虑各种误差的情况下进行了500次蒙特卡洛仿真,仿真结果表明制导律的精度较高,鲁棒性较好。     

地球大气再入返回器辐射加热计算方法研究

针对地球大气再入返回器的辐射加热计算方法开展了研究,采用NASA的高温空气辐射加热预测软件QRAD中用到的四光谱带模型,同时考虑了辐射散热效应及非平衡辐射加热.对于返回舱大底的辐射加热分布特性,采用了基于牛顿压力分布的计算方法.计算结果表明,发展的高超声速再人体辐射加热预测方法结果可靠.     

月地返回轨道误差分析和第一次中途修正时机

分析了月地返回飞行过程中的误差因素和量级采用蒙特卡洛法和统计理论,定量分析了月地返回轨道入轨时刻误差、入轨状态误差、入轨控制误差、转移段定轨误差、中途修正控制误差等各种误差对轨道终端参数的影响。给出了月地返回轨道中途修正的计算步骤,然后以预期再入时刻和目标再入点为修正目标,采用微分改正法计算中途修正所需的速度增量。结合误差分析结果和测控条件,给出第一次中途修正时机的建议和一个具体算例,计算结果表明所提中途修正方法和策略可以修正入轨误差、定轨误差和控制误差的影响,使月地返回轨道可以按预期的再入时刻返回预定再入点。     

负升力返回时航天器的再入走廊与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廊与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走廊前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加；离轨点所耗燃料质量与热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少。由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法

再入地球大气是探月飞船返回的关键阶段,再入制导是返回再入中的难点问题.飞船跳跃式再入过程复杂,标准轨道制导方法难以满足任务要求,因此具有高精度和强鲁棒性的预测—校正制导方法成为解决问题的首选.以探月飞船跳跃式再入为背景,设计了数值预测—校正制导律,研究了基于嵌套式积分算法的航程快速预报方法和基于有界试位法的倾侧角剖面快速更新算法,提出了一种气动系数误差和大气密度误差的在线参数辨识方法,并基于最大偏差法和蒙特卡洛打靶法进行了仿真分析.结果表明,预测—校正再入制导方法在跳跃式再入问题上具有较高的精度和较好的鲁棒性.5 000 km再入航程时,开伞点误差在2.5 km以内.     

负升力返回时航天器的再入走廓与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廓与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加，离轨点所耗燃料质量怀热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少，由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

典型返回再入过载下姿态差异对猕猴生理反应的影响研究

为探究典型登月返回过载下姿态差异对机体生理反应的影响,选取18只猕猴作为实验对象,在动物离心机上模拟过载峰值为13 G、15 G的嫦娥任务(卧姿)与阿波罗登月返回(躺姿)过载环境,采用心电监护仪监测猕猴过载前后心率、血压、血氧饱和度参数变化,并对测试前后行为学变化进行评分。实验结果表明：在峰值为13 G、15 G过载作用下,卧姿猕猴心率最大增幅分别为88%、107%,收缩压/舒张压分别增加了24 mmHg/15 mmHg、18 mmHg/12 mmHg,血氧饱和度分别降低了0%、5%;躺姿猕猴心率最大增幅分别为48%、28%,收缩压/舒张压分别增加了8 mmHg/-4 mmHg、2 mmHg/8 mmHg,血氧饱和度分别降低了3%、1%。13 G过载实验后,卧姿猕猴心率显著高于躺姿猕猴(P=0.015),其余生理参数均无显著差异。2种姿态过载暴露后猕猴均表现出一定程度的精神萎靡与反应灵敏性下降,但卧姿猕猴在扑咬反应上减弱更明显(P=0.035),其余差异不显著。卧姿工况较躺姿工况而言,机体的生理反应对于过载环境更为敏感,心率、血压变化幅度更大。     

大气参数偏差对再入弹头爆点射程的影响

统计出了实际大气状态参数与标准大气状态参数的最大偏差值,以等高程和等过载引信两种弹头引信方式建立了大气参数偏差对弹道式导弹弹头引爆点射程影响的数学模型,从理论上分析了大气参数偏差对弹道式导弹弹头引爆点对应射程产生影响的物理实质;进而以一种洲际弹道导弹为例,讨论出大气参数偏差引起弹头命中点射程偏差的具体数值。     

大气密度分层计算时的再入弹道解析解

给出了在考虑阻力系数为速度的函数的情况下,并将大气密度进行分层计算时,估算再入飞行器弹道主要参数的一组解析式。按上述方法进行了仿真计算,并将计算结果,Ｂａｒｂｅｒａ解,有关文献解同数值解进行了比较。结果表明,由于大气密度采用分层计算,更真实地反映了飞行器的再入环境、解析估算值较其它两种解更接近于数值解,完全可用于再入飞行器的再入弹道初步估计和再入性能分析。     

再入(返回)测量的自校准α-β-γ滤波

在导弹、航天器试验任务的实时数据处理中,α-β-γ滤波已得到应用。由于外测系统的观测数据中,除含有随机误差外,还含有系统误差,而且系统误差经常大于随机误差。随着对实时处理测量精度要求的日益提高,应用α-β-γ滤波解算弹道参数,必须考虑外测系统误差的修正,否则,在较长测量弧段利用其滤波时,系统误差会造成弹道参数的滤波“发散”。本文基于“EMBET”自校准原理,将其推广到α-β-γ滤波中,完成了具有自校准α-β-γ滤波公式的推导,并给出再入(返回)测量弧段时的常用测量元素下的相应公式。     

考虑多种约束的探月飞船跳跃式再入走廊优化设计

探月飞船升阻比较低,再入时为达到长的飞行纵程,必须采用跳跃式再入方式。考虑多种约束条件,对跳跃式再入走廊进行了优化设计。首先,对路径约束进行分析,根据跳跃式再入轨迹的动力学特性对轨迹进行分段,推导了关键段中路径约束间的解析关系式,并在此基础上对优化问题进行了简化;其次,对滚转角速度约束进行分析,通过选择合理的离散点个数来保证角速度约束的满足;最后,为保证结果的高精度与全局最优性,采用两层优化策略进行求解,先利用高斯伪谱法得到控制变量初值,再将初值代入直接打靶法中计算得到最终结果。仿真结果表明:路径约束分析结果与优化结果保持一致,可在一定程度上简化优化问题;对滚转角速度约束的处理简单有效;两层优化策略能使问题快速收敛到满足约束的高精度解。     

《联盟T—11》飞船的返回着陆和搜索救援系统

任何一次航天飞行,不论是短期的或是长期的,航天员都期待着回到地球。航天旅程从地球开始,也在地球上结束。因此,地球也等待着自己的使者。 1984年10月2日,《灯塔》(即Л.Д.基兹姆,B.A. 沙拉弗耶夫和О.Ю.阿吉柯夫等三位航天员的共同呼号)完成了237昼夜飞行。莫斯科时间10点35分,发出了《联盟T-11》飞船同《礼炮-7》空间站脱离的指令。然后,执行了准备下降的正常操作。11点45分,生活舱分离。12点02分,《花岗石》(B.A.沙塔罗夫的呼号)同航天员进行了通信联系。惯例如     

大型航天器再入解体气动力热特性模拟的直接模拟蒙特卡洛方法研究

为模拟大型航天器离轨再入近连续过渡流区高超声速气动力/热绕流特征,构建了基于直接模拟蒙特卡洛法碰撞限制器技术的混合方法,发展了基于密度梯度的动态自适应混合网格处理技术与变时间步长计算方案。利用当地流动梯度的克努森数作为判断连续流失效的参数,将流场划分为不同区域,在连续流区采用碰撞限制器以及大网格尺度和大时间步长,在流场的大梯度区域——包括激波和壁面边界层区域——采用基于当地密度梯度的动态自适应碰撞网格和取样网格处理技术。为保证整个流场范围每个碰撞网格内的模拟粒子数分布更加均匀,采用变时间步长计算方案,并固定当地时间步长与粒子权重的比值,避免了因分子穿越网格界面产生的复制或消失。通过计算类天宫飞行器低密度风洞试验状态的气动力系数,并与试验数据对比,验证了上述算法的高精度模拟能力与可靠性。同时模拟分析了带太阳电池帆板的类天宫飞行器再入85 km高超声速复杂气动力热,及头部对接台与板舱非规则物形绕流所致激波/边界层干扰、流动分离与强气动力热致太阳电池帆板毁坏发生首次解体机制。     

搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化

针对意义重大但目前尚无成功先例的月球背面载人登月任务,通过建立地惯系三体动力学模型,采用微分修正法迭代计算,设计了未来载人登月任务的候选自由返回轨道;通过建立旋转系三体动力学模型,利用类Halo轨道截面法,得到了从自由返回轨道以最低能耗转移到L2点halo轨道的拼接轨道。仿真计算结果显示所优化设计的搭载中继星的载人自由返回探月轨道既能满足任务安全要求,又能以最小能耗布设中继星座并提供中继任务支持。设计方法和结果可对未来月球背面载人着陆探测任务安全轨道设计和月球中继星座的设计方面提供参考。     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。