环月快速交会调相策略设计与任务分析

针对未来载人登月任务中登月前环月轨道交会对接与组装问题,基于我国现有近地两天交会对接飞行方案,设计了环月轨道一天快速降轨交会任务的调相变轨方案,采用四脉冲修正特殊点变轨算法进行求解。分析了快速交会的调相终端控制精度、最优初始相位角范围等任务特性参数,给出了满足调相段终端控制精度所需要的定轨精度,分析了环月轨道倾角、调相段终端瞄准相对状态和调相时间对最优初始相位角范围和变轨总速度增量的影响规律。仿真结果表明,实施环月快速交会任务,要求追踪器与目标器的定轨精度均较高,但追踪器的最优初始相位角范围较大。     

载人登月轨道月面可达区域分析

全月面到达是21世纪以来载人登月研究的主要目标之一。影响月面可达区域的因素有很多,而阳光入射角约束和转移轨道约束是主要因素。首先分析了不同纬度区域阳光入射角规律,其次建立了一种适于月面可达区域分析的双二体圆锥曲线拼接算法,分析了自由返回轨道和混合轨道月面可达区域,并计算了变轨策略及其速度增量关系,为未来实现载人登月月面着陆区选择提供参考。     

载人登月周期重访轨道保持策略设计

针对高精度星历动力学模型下载人登月周期重访轨道(也称地月循环轨道)发散问题,设计了一种轨道保持控制策略。提出一种高精度星历动力学模型下的循环轨道初值设计方法,分析了日月中心引力、地球J2项等摄动力对轨道快速发散作用,设计了一种特殊点四脉冲周期重访轨道保持策略。高精度动力学数值仿真实验表明,该种轨道保持策略控制频率低、速度增量消耗小,控制精度能够满足任务需求,达到预期设计目标。     

载人登月地月转移轨道方案综述

在总结国内外月球探测地月转移轨道研究进展与现状的基础上,从整体上研究了地月转移轨道的设计模型及设计约束,分析了不同类型地月转移轨道的特点及适用性。结合载人登月飞行任务特点,讨论了可满足载人登月任务约束的轨道类型及方案,并通过仿真计算和对比现有转移轨道研究结论,分析了不同类型轨道的飞行时间、能量消耗、月面可达区域等特性,提出了应用建议,可为载人登月任务地月转移轨道方案深入研究提供参考。     

载人月球软着陆任务紧急中止轨道分析与设计

针对载人月球软着陆进程中,由载人飞船发动机失效引起的任务中止问题,首先分析主发动机失效可能引起的撞月轨道、环绕轨道、逃逸轨道等轨道类型及其特点;然后分析了中止任务执行的前提条件及中止过程的导航制导要求,在此基础上,考虑二体模型,提出普适的共面软着陆中止轨道计算方法;最后,在考虑登月飞船生保系统时间限制条件下,给出下降级主发动机失效情况下,撞月轨道的中止仿真算例。仿真结果表明,该方法可以实现登月飞船软着陆制动故障情形下的任务中止,能够确保飞船安全返回环月轨道。     

面向载人月球探测的三体周期轨道应用方案分析

为适应未来地月空间飞行器顶层轨道选择与窗口、测控等总体方案论证,对NRHO轨道、L2平动点Halo轨道、DRO轨道等不同三体周期轨道在载人月球探测中的应用进行研究分析,从地月空间转移任务速度增量与飞行时间需求、测控通信、月面可达性、登月窗口、深空拓展任务可行性等方面定量综合评估三体周期轨道的优劣性,对比确定三体周期轨道在载人月球探测不同任务中的适用性。结果表明：3种类型轨道支持登月任务的主要差异在于任务可行性与月球探测区域的选择。研究结果对未来登月飞行器近月空间部署以及轨道方案分析具有一定的参考意义。     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

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。     

考虑相对几何约束的载人月面上升交会轨道研究

针对载人月面上升交会任务对任务快速性和自主性的高要求,基于共椭圆交会方案,将提升任务自主能力的相对测量条件和航天员的操控特点量化为着陆器与目标飞行器的相对几何约束,设计了载人月面上升交会轨道的参数。首先建立了载人月面上升交会飞行过程的时间、相位和速度增量解析模型,然后提出了相对几何约束模型,最后分析了入轨相位差随Lambert转移轨道半长轴单调递增的规律,提出了通过确定边界值来快速求解可行域的方法。仿真验证了方法的有效性,计算分析了任务周期、速度增量、相对距离在可行域内的取值情况,结果表明当目标环月轨道高度取300 km时,过渡轨道不应低于220 km,相对测量范围至少750 km。     

考虑测控约束的非特殊点双冲量变轨规划算法研究

非特殊点双冲量变轨问题中,使用近地点远地点双冲量变轨可以得到最优的速度增量,但没有考虑测控覆盖范围的约束。针对这个问题,对一般椭圆轨道的双脉冲变轨问题进行了介绍,在此基础上,将测控约束与非特殊点双脉冲变轨问题进行综合考虑,借助轨道外推、测控覆盖分析得到一套变轨规划算法,能够在考虑测控覆盖的约束下得到非特殊点双冲量变轨的最优解。仿真结果表明,规划算法优化出的速度增量与特殊点变轨相比增加很少,且发动机工作期间满足测控约束。     

交会对接任务碰撞规避策略制定研究简

针对交会对接任务目标飞行器与追踪器轨道运行特性,综合考虑规避策略计算方法与工程实际相结合的问题,提出高度规避、时间规避以及与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法等三种空间目标碰撞规避策略计算方法.高度规避计算方法采用了Lambert飞行原理,用简化二体开普勒模型取代高精度轨道预报方法,迭代求解规避机动速度增量,实现了通过约束过交点与目标径向距离差得到速度增量的最优解;时间规避计算方法通过轨道周期与速度增量的关系,实现了通过约束过交点与目标的时间差得到速度增量的最优解;与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法,在正常控制考虑冗余控制量的基础上,对控制策略的控制开始时间或沿迹方向的速度增量进行较小的修正,使两者通过碰撞点的时刻或径向距离错开,达到碰撞规避的目的,该方法不仅可以节省燃料、而且对任务的影响较小.通过对三种空间目标碰撞规避策略计算方法仿真分析结果表明,完全适用于交会对接任务,可为我国载人航天任务飞行安全提供技术保障.     

月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

基于地月L1点的载人登月飞行方案分析

为解决传统载人登月方案中重型运载火箭难以研制、交会对接窗口选择困难等问题,提出了符合我国现有技术条件的基于地月L1点的载人登月方案设想。基于对圆形限制性三体模型和地月三,点特性的分析,将载人登月任务划分为不同的飞行阶段,研究了载人登月任务的规模、系统组成以及各舱段的质量分配等。通过与基于环月轨道方案各参数的分析和对比,提出通过付出较小代价将基于环月轨道的载人登月方案转化为基于地月,L1点的载人登月方案的方法。结果分析表明,经方案转化,不但能充分发挥地月L1点的优势,而且在一定条件下可以使节省燃料成为可能。     

载人航天轨道大气密度模式修正研究简

热层大气密度模式的误差,是影响载人航天定轨精度的关键因素.分析载人航天工程所用Jacchia、MSISE、DTM三类大气密度模式的误差特点,通过比较精度和稳定性,基于现有空间天气参数,选取MSISE模式作为基础模式.研究利用星载加速度计数据反演载人航天轨道大气密度的方法,以验证我国载人航天轨道实测数据的精度;同时利用天宫一号以及神舟二号、三号、四号实测密度数据,以及相应的航天测控数据,分析模式误差与地方时、纬度和高度因素之间的关系,讨论建立合适的三维误差库来存储模式误差的方法,研究平均误差修正法和加权误差修正法,建立NRLMSISE-00的误差修正模式.修正结果应用于交会对接任务,与完全不修正时模式平均11.44％的误差相比较,两种修正方法的误差均明显减小,分别为5.41％和4.99％;其中平均误差修正法和加权误差修正法在未来1天、2天、3天的修正结果的误差分别是4.06％、3.73％,6.06％、5.78％,6.13％、5.72％,表明提前1天的修正效果最好;同时比较累积1-5天的误差库滑动也可以看出,误差库累积1天的效果相对较好;比较两种方法的预测效果显示,加权误差修正法优于平均误差修正法.研究表明基于三维误差库的模式修正方法显著提高了载人航天轨道大气密度预测精度,可为交会对接等载人航天任务提供技术支持.     

一种实用的地形回避/地形跟踪算法

给出了一套地形回避/地形跟踪算法,即动态规划法与线性规划算法,根据即时的飞行任务、地形数据、威胁区信息与天气情况等,可以实时在线地规划出有人驾驶或无人自主控制的飞行器的三维最优飞行轨迹。该算法与软件包在F-16战机的地形回避/地形跟踪系统的升级改造中得到了成功应用。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。