载人登月任务人-机系统安全性分析及对策研究

载人登月任务中,航天员、航天器以及内外部环境构成了典型的人-机系统。运用安全性分析方法,以载人登月任务为对象,基于"事件树+故障树"方法构建安全性分析模型,对导致载人登月任务失败的潜在原因进行分析,并从载人登月任务的人、机、环境等方面提出相应的安全性控制对策措施,提出的安全性建模和影响因素分析方法,可为我国载人登月任务安全性建模和分析提供借鉴。     

重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。     

2021年国外载人航天发展初步分析

在2021年后疫情时代,国外主要国家不断调整载人航天发展路线,稳步推进载人航天活动.美国Artemis载人登月计划遭遇挫折,航天发射系统火箭首飞延期,登月时间向后推迟至少1年;俄罗斯调整载人航天发展重心,从载人登月转向建设新的俄罗斯轨道空间站,Yenisei重型火箭暂停研制;欧洲计划发展独立的载人航天能力,并启动新一轮...     

人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望

针对我国载人登月工程目标和任务需求,综述了人机共融机器人技术的研究进展,分析月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术。在此基础上制定了共融机器人系统在我国首次载人登月中的任务目标和能力需求,提出首次载人登月中"人机共融"作业系统的工作模式。为共融机器人在我国后续无人、载人月球探测以及月面驻留服务的应用提供借鉴和参考。     

载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

2022年国外载人航天发展初步分析

2022年美国阿尔忒弥斯载人登月计划取得里程碑式的进展,成功发射阿尔忒弥斯-1,完成载人登月系统的首次全流程、全系统演示验证;俄罗斯载人航天遭遇进一步挤压,联盟5火箭与雄鹰飞船的首飞任务进一步延迟,规划的新空间站建设任务仍未得到政府批准;欧洲发展独立的载人航天能力的意愿不断加强,顺利完成新一轮航天员招募活动,以满足未来载人航天任务发展需求;越来越多的国家加入载人航天发展行列,以发展经济和提高国际地位。俄乌冲突爆发后,国际空间站成为俄罗斯与西方仍能保持合作的唯一项目,目前延寿至2028年已成定局。私人航天员任务成为2022年的新亮点,不仅成功完成首次私人航天员任务,且成为多个国家开展载人航天的主渠道;以SpaceX公司为代表的商业载人航天力量发展迅速,将承担更多的深空任务,成为未来载人航天发展及深空探测的重要角色。     

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

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。     

内装式空中发射运载火箭重力出舱运动分析

对运载火箭重力出舱方式进行了详细研究,给出了阻力伞和载机姿态的选取方法,结合气动力数值计算,分析了分离过程中载机、运载火箭和阻力伞之间的相互影响,为进一步研究及工程实践提供了理论依据.     

Hyper Heuristic Approach for Design and Optimization of Satellite Launch Vehicle

Satellite launch vehicle lies at the cross-road of multiple challenging technologies and its design and optimization present a typical example of multidisciplinary design and optimization(MDO) process.The complexity of problem demands highly effi-cient and effective algorithm that can optimize the design.Hyper heuristic approach(HHA) based on meta-heuristics is applied to the optimization of air launched satellite launch vehicle(ASLV).A non-learning random function(NLRF) is proposed to con-trol low-level meta-heuristics(LLMHs) that increases certainty of global solution,an essential ingredient required in product conceptual design phase of aerospace systems.Comprehensive empirical study is performed to evaluate the performance advan-tages of proposed approach over popular non-gradient based optimization methods.Design of ASLV encompasses aerodynamics,propulsion,structure,stages layout,mass distribution,and trajectory modules connected by multidisciplinary feasible design approach.This approach formulates explicit system-level goals and then forwards the design optimization process entirely over to optimizer.This distinctive approach for launch vehicle system design relieves engineers from tedious,iterative task and en-ables them to improve their component level models.Mass is an impetus on vehicle performance and cost,and so it is considered as the core of vehicle design process.Therefore,gross launch mass is to be minimized in HHA.     

可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

针对当前可重复使用飞行器的发展现状,总结了其特点、优势和发展趋势.通过飞行任务,分析了可重复使用飞行器所面临的复杂环境特性和飞行控制特性.从飞行控制角度出发,概括了可重复使用飞行器导航制导控制所面临的技术挑战,包括高精度导航技术、多约束航迹优化技术、再入段和能量管理段的制导技术以及强耦合强不确定强鲁棒姿态控制技术等.最后,针对技术挑战,对可重复使用飞行器导航制导控制技术提出了若干建议.     

可重复使用运载器结构重量估算方法研究

对可重复使用运载器总体参数统计数据进行回归分析,得到了可重复使用运载器结构重量估算公式,并以某可重复使用运载器为例进行了验算,结果验证了结构重量评估公式的合理性和可用性;通过定义无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子,使各总体设计参数的敏感性可进行对比评价,并以此分析了可重复使用运载器结构重量估算公式对单个总体设计参数的敏感度,总结出可重复使用运载器结构重量随总体参数变化的规律。其结构重量估算公式对我国未来可重复使用运载器的设计具有直接参考价值。     

内装式机载发射运载火箭分离方案分析

针对一种内装式投放发射方案，建立了机载发射运载火箭分离过程的数学模型。本发射方案尢需对运载火箭进行改动。数值仿真结果表明．火箭在点火时有较好的姿态，适用于发射现有的中、小型运载火箭。     

飞行器空基发射运载火箭技术研究

介绍了国外飞行器空基发射运载火箭的现状;与陆基相比,飞行器空基发射运载火箭有许多独特的优势;对飞行器空基发射运载火箭的技术及其难点进行了梳理,最后分析了飞行器空基发射运载火箭的力学问题。     

火箭内装式机载发射运载能力分析

针对内装式机载发射运载火箭的分离方案,结合分离条件及某型号运载火箭,设计了火箭分离后的发射轨道,并研究了火箭的控制规律。分析和计算表明,所设计的发射轨道可满足卫星发射需求,所采取的控制规律切实可行,与地面发射相比,可大幅度提高运载火箭的发射能力。     

内置式空中发射运载火箭发射方向研究

对运载器与载机分离过程的几个阶段采用统一模型进行研究,建立了分离过程物伞系统的刚体-质点模型。以此数学模型为基础,对空中发射的分离过程用Matlab/Simulink进行了仿真计算。结果表明,前向发射在分离过程结束时运载器的高度损失和速度损失比后向发射小,性能优于后向发射,对实际工程应用具有重要参考价值。     

可重复使用运载器磁悬浮助推发射参数研究

针对磁悬浮助推水平起飞运载器这种新型发射概念,采用概念性分析方法,研究地面发射参数对可重复使用运载器性能的影响规律。结果表明,助推发射水平起飞运载器在降低初始推重比、推进剂和结构质量等方面具有优势,最后得出地面发射参数的一组优化值。     

考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时,需要进行轨迹和控制的重构,故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响,通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合,提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。仿真结果表明,多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件,从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性,并为制导与控制一体化设计提供参考依据。