中国探月再给国人一个惊喜(上)——探月工程三期再入返回飞行试验任务透视

10月24日,由中国空间技术研究院研制的再入返回飞行试验器,在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭发射升空,准确进入近地点高度为209公里、远地点高度为41.3万公里的地月转移轨道,开始我国首次绕月再入返回试验,我国探月三期大幕正式拉开.经过8天的月地往返,1 1月1日,再入返回飞行试验器在科技人员的精准控制下,服务舱和返回器顺利分离,返回器准确降落在我国内蒙古主着陆场.     

嫦娥五号小飞成功

北京时间11月1日6时42分,绰号“小飞”的嫦娥五号T1再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。 凌晨5时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向再入返回飞行试验器注入导航参数。5时53分,再入返回飞行试验器服务舱与返回器在距地面高约5000千米处正常分离。     

“小飞”太空打水漂 “嫦娥”探路把家还——关注“嫦娥”5号试验器首试绕月返回任务

2014年10月24日,我国探月工程三期再入返回飞行试验器——“嫦娥”5号试验器成功发射升空,大家都亲切叫它“小飞”。其主要目的是突破和掌握探月航天器再入返回的关键技术,为嫦娥五号月球采样返回任务提供技术支持。11月1日,“小飞”的返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,标志着我国探月工程三期首次再人返回飞行试验任务实现了“准时发射、精确入轨,可靠飞行、精准回收”的目标。     

长三丙成功发射探月工程三期再入返回飞行试验器

10月24日2点00分,我国自行研制的探月工程三期再入返回飞行试验器,在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射升空,准确进入近地点高度为209公里、远地点高度41.3万公里的地月转移轨道.我国探月工程首次实施的再入返回飞行试验首战告捷.     

一种返回器烧蚀温度在轨测量方法

返回器再入过程中的烧蚀温度,是防热结构设计和验证的重要参数之一。针对在轨应用的需求,文章设计了一种使用铠装热电偶进行返回器烧蚀温度在轨测量的方法,通过将铠装热电偶埋入安装并进行冷端补偿和误差校准设计,可以准确测量烧蚀温度的变化过程。通过我国探月三期工程再入返回飞行试验器在轨测试,证明了该方法的有效性。     

热烈庆祝“嫦娥五号”飞行试验器飞行任务取得圆满成功

2014年11月1日6点42分,“嫦娥五号”再入返回飞行试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功。     

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。     

欧洲“过渡试验飞行器”再入返回技术综述

欧洲"过渡试验飞行器"(IXV)是在欧洲未来运载器预备工程(FLPP)框架下研发的飞行试验器,主要用于演示验证升力体高超声速再入技术。2015年2月11日IXV成功回收,标志着欧洲在飞行器再入返回技术上实现了新的突破。文章介绍了IXV的发展历程、飞行试验情况,以及主要设计要求和技术指标,梳理了空气动力学、热防护系统(TPS)、制导导航与控制、回收等关键技术的解决途径,可为我国开展相关研究提供参考。     

基于改进Gauss伪谱法的探月返回器跳跃式再入轨迹优化设计

基于改进的Gauss伪谱法,研究了探月返回器跳跃式再入轨迹优化设计问题.首先给出了探月返回器再入轨迹优化问题的三维模型.然后针对探月返回器配平攻角飞行的特点,考虑到实际倾侧角反转机动不可能瞬时完成,对单一控制变量倾侧角的变化范围进行合理限制,并以总吸热量为性能指标,设计了满足过载和驻点热流约束的小升力体大航程跳跃式再入轨迹.最后基于该优化算法,将返回器在各相同初始条件下发生跳跃和不发生跳跃时的最大航程进行比较,并求解得到在不同升阻比和存在不同程度大气密度偏差时不发生跳跃的再入轨迹最大航程和过载峰值,以分析跳跃式轨迹在扩大小升力体再入航程方面的优势.     

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...     

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。     

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。     

“小飞”的杰作：地月合影

据国防科工局消息,11月28日,探月工程三期再入返回飞行试验器服务舱飞抵地月系统拉格朗日L2点,实施了地月L2点绕飞期间第一次轨道维持控制。在完成地月L2点探测活动后,服务舱将返回月球并进入环月轨道开展后续拓展试验项目。     

探月返回器降落伞减速系统设计及试验验证

针对探月返回器降落伞减速系统的任务特点,通过对返回器-降落伞系统的动力学特性分析,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统设计方案,实现了返回器开伞载荷、器伞系统稳定性等多因素的匹配性设计,通过仿真试验和空投试验验证了方案设计的合理性,最终通过月地高速再入返回任务飞行试验验证了降落伞减速系统性能的有效性。结果表明:降落伞减速系统工作性能稳定可靠,能够确保返回器的安全回收,可以保证后续月球采样返回任务的成功实施。     

直接再入大气的月球返回轨道设计研究

直接再入大气的月球返回轨道是月球采样返回任务普遍采用的飞行方案。文章将月-地转移轨道设计与再入大气仿真相结合,通过两级修正策略和落点匹配使月球返回轨道既满足再入界面约束又满足再入点地理位置约束。两条分别采用弹道式和弹道-升力式再入的月球返回轨道的计算结果表明,此方法是有效的。     

月球无人采样返回任务概念设想

分析了无人月球采样任务,包括采样及封装方式分析,飞行过程选择与轨道初步方案,月面软着陆方式选择,月球轨道交会对接的需求,月面起飞上升的要点,地球大气高速再入返回器的外形选择等。在此基础上提出了三种不同的无人月球采样返回任务概念设想,并对其进行了简要比较和分析。     

重复使用运载器原场返回方案与轨迹设计

针对重复使用运载器原场返回这一发展思路存在的诸多问题,提出一种在发动机二次点火方案下结合逆向积分的原场返回轨迹设计方法。该方法将原场返回分为轨迹回转段与再入返回段两部分进行设计。前者通过姿态调整、速度调整实现飞行方向朝向发射场;后者通过逆向积分设计再入返回轨迹,并进一步确定轨迹回转段的终端需求。仿真结果表明,该设计方法能够在满足约束条件下获得原场返回的完整飞行轨迹。     

登月返回地球再入轨迹的优化设计

针对登月飞船返回地球,其再入速度为108km/s,返回舱的气动加热问题大幅度上升（相对再入速度为78km/s）。给出了多个不同条件下的最优返回再入飞行轨迹设计方案：(1) 二次再入飞行方案;(2) 单次再入飞行方案;(3) 多次再入飞行方案。二次再入飞行方案优于单次再入飞行方案,因为前者可使热防护系统质量下降,具体体现在气动加热上,并容易工程实现。气动加热环境的结果如下：二次再入的最大气动热流密度<单次再入的最大气动热流密度,并且,单次再入的总气动加热量>二次再入的总气动加热量。
     

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。     

采用多站接力跟踪策略的再入返回器定轨精度研究

针对我国探月工程再入返回段分离前的精度要求,在无法实现对再入返回器的三向测量情况下,提出多站接力跟踪的测量策略,以解决测定轨精度不高的问题。结合再入返回分离前的测控弧段,制定两站及三站接力跟踪的策略。利用ESA"桑巴"(SAMBA)卫星进行多站接力跟踪试验数据分析,结果表明,三站接力跟踪策略的定轨预报精度优于两站接力跟踪策略,能够实现返回器安全可靠地再入返回,可为再入返回任务分离前跟踪策略的制定提供依据。