地月自由返回轨道设计

载人月球探测任务需要着重考虑任务的安全性,能否“自由返回”是很重要的一项指标。在轨道设计上存在两项要求,首先是地月转移,然后是经月球近旁转向并判断能否返回地球,即实现飞越月球以后的无动力返回。文章结合精确的行星历表(DE405),首先比较不同力模型中同一条轨道的返回情况,以确定初始轨道设计过程中需要考虑的摄动力;然后分析了返回时近地距的各种影响因素,包括出发时刻、转移时间、倾角组合等,提出了一种可使返回近地距逐渐向设定的目标值靠拢的单向搜索方法,该方法简单易行,可信度高,能够满足轨道设计时要求的各项约束条件。该工作对中国将要进行的载人月球探测任务中需要用到的自由返回轨道的设计具有一定的参考价值。     

载人月球极地探测定点返回轨道设计

针对载人月球极地探测任务,对定点返回轨道优化设计问题进行了研究。根据月球极地轨道的特性,介绍了三种返回轨道机动方案。结合三脉冲变轨方案,采用了从初步计算到精确计算的串行求解策略,对定点返回轨道进行优化设计。初步计算阶段,建立了基于近月点伪参数的三段二体拼接模型,将三脉冲机动段与月球逃逸段解耦,求解轨道初值;精确计算阶段,提出了两段拼接方法,分别进行逆向和正向高精度数值积分。经过仿真测试,验证了该策略求解的有效性和准确性。最后,通过大量的仿真计算,分析了定点返回轨道的特性。研究结论对未来载人月球极地探测定点返回轨道方案的设计具有重要的参考价值。     

多约束条件下月球南极探测返回窗口设计

针对月球南极探测任务,综合考虑中国地基深空测控系统现状、月球南极地区光照及地球再入终端等约束条件,利用月球反垂点概念,提出一种从环月轨道出发的三级返回窗口搜索策略.其次,提出一种改进多圆锥截线法,将月球非球形摄动加入到区间的轨道外推中,基于二级返回窗口对返回轨道进行了初步设计.给出以月球南极地区Shackleton撞击坑边缘一点为假定落点,于2020年自月球南极地区返回的仿真算例.仿真结果表明：一方面,窗口搜索方法可以有效解决多约束条件下的月球南极返回窗口设计问题;另一方面,改进多圆锥截线法作为一种初始轨道设计方法,可以有效减少再入误差,同时为后续高精度轨道积分提供良好初值.     

载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析

对于载人地月转移任务,应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点,基于载人地月混合轨道,提出了3种一次脉冲的应急返回轨道,即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后,利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性,研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式,总结了3种应急模式的应用特点及优劣,可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。     

一类由星下点反算卫星近圆回归轨道的方法

提出了一类近圆回归轨道的设计方法,解决当飞行任务对星下点有要求时,近圆回归轨道的设计问题。分析了星下点轨迹与轨道参数的关系,概括为当对星下点轨迹有要求时,近圆回归轨道的设计依赖于轨道半径和轨道倾角两个参数的确定。以轨道半径和轨道倾角为未知量依据星下点轨迹要求条件构建了非线性方程组,但直接求解过于复杂,采取迭代的方法解决。编制了MATLAB程序进行设计计算,并将计算结果用软件STK(Satellite Tool Kit)进行仿真。仿真结果显示,该算法能够较好的实现设计目标。     

载人小行星探测轨道设计

文章应用Lambert理论对载人小行星探测的轨道进行设计。结合轨道设计的基本条件与假设,建立了基于Lambert问题的轨道模型,并进行了仿真验证,结果证明模型正确有效。采用该模型,以发射窗口在2045年编号为89136的载人探测小行星A为例,给出了轨道设计的结果,同时对不同的故障情况下任务中止轨道及其特性进行了分析,对探测器应急返回能力进行了探讨。     

嫦娥五号探测器GNC系统设计

为实现我国首次月球样品无人采样返回任务,设计了嫦娥五号(Chang’E 5)探测器制导、导航与控制(GNC)系统.根据任务要求和探测器特点,GNC系统设计分为轨道器GNC子系统、返回器GNC子系统和着上组合体GNC子系统.给出了嫦娥五号探测器GNC系统的架构设计、工作模式以及在轨飞行结果.结果表明,GNC系统设计正确,成功完成了动力下降、起飞上升、交会对接、返回再入等关键动作,实现了月球表面起飞上升、月球轨道交会对接以及携带月壤以近第二宇宙速度二次再入返回的三项首次任务,各项功能性能满足任务要求.     

基于双二体模型的月球探测器返回轨道初步设计及特性分析

双二体模型是深空探测初步轨道设计普遍采用的假设.本文针对月球探测器从月球驻留轨道返回的任务,对直接返回型轨道和间接返回型轨道,建立了基于直观六参数的返回轨道模型.通过对直观六参数及出口点时刻这些可选参数的分析,得到了约束条件和可选参数的定性关系,易于搜索满足要求的返回轨道.最后针对两种返回轨道类型的算例表明该方法是有效的.     

基于离子推进技术的轨道转移设计

将太阳能离子推力器应用于卫星的推进系统,完成从地球同步转移轨道(GTO)到地球同步轨道(GEO)转移任务;建立任务模型,设计基于纬度幅角的反馈控制策略,对发动机开关时间进行优化.采用图形处理器（GPU, graphic processing unit）加速的遗传算法(GA,genetic algorithm)对卫星转移轨道任务进行优化设计.仿真结果表明：通过对该闭环控制器的定常参数进行优化,可将轨道导引至目标轨道附近;采用太阳能离子推力器可减少燃料消耗.基于GPU加速的遗传算法,可缩短算法运算时间.     

载人登月应急返回轨道倾角优化设计

针对载人登月短期全球访问任务,月面上升过程存在上升舱与返回舱异面交会问题。以减小调面机动燃料消耗为目标,利用三垂线定理给出上升轨道与目标轨道的最小平面夹角（楔角）求解公式,考虑应急返回任务需求,以降低整个任务期间最坏的平面夹角为目标,给出全月面到达着陆轨道与上升轨道倾角求解方法。仿真结果表明,所提方法计算简单,精度高,可为载人登月任务设计和分析提供参考。     

垂直返回重复使用运载火箭弹道特性分析和优化设计

针对重复使用弹道设计中上升段弹道与返回段弹道之间相互耦合的问题,本文提出一种简化总体弹道优化设计的方法,首先根据影响返回段设计的一子级射程关键约束,进行上升段的弹道设计,经分析在同样的一子级射程约束情况下,上升段存在两组分离点参数,其次分析了在不同的分离点情况下,上升段和返回段在前场和原场两种返回模式下的运载能力损失情况,并对相关弹道特性进行了分析,得出在前场返回情况下优选低弹道方案,原场返回情况下,优选高弹道方案,该结果可为垂直返回重复使用运载火箭的弹道设计提供参考。     

一种短航程再入解析预测校正制导方法

针对载人探月飞船高速再入返回问题,提出了一种短航程低过载的再入解析预测校正制导方法。引入大升阻比航天器滑翔式再入的概念,通过设定再入过程中滑翔段轨迹形式,利用轨迹参数描述滑翔段轨迹,推导出预测航程的解析公式。为使终端误差满足要求,通过试位法校正轨迹参数,并换算得到倾侧角制导指令。在偏差条件下进行仿真,实现了飞船2100km任务航程下400~450s内以低于6.5g₀的过载再入,结果表明,所提制导方法具有较高的精度和较强的鲁棒性,为载人探月飞船应急快速返回提供了参考思路。      

对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。     

Proposal for a multiple-asteroid-flyby mission with sample return

Asteroid exploration provides a new approach to study the formation of the solar system and the planetary evolution. Choosing a suitable target and designing of feasible profile for asteroid mission are challenging due to constraints such as scientific value and technical feasibility. This paper investigates a feasible mission scenario among the potential candidates of multiple flybys and sample return missions. First, a group of potential candidates are selected by considering the physical properties and accessibility of asteroids, for the sample return missions. Second, the feasible mission scenarios for multiple flybys and sample return missions to various spectral-type asteroids are investigated. We present the optimized design of preliminary interplanetary transfer trajectory for two kinds of missions. One is the single sample return mission to asteroids with various spectral types. The other is the multiple flybys and sample return mission to several asteroids. In order to find the optimal profiles, the planetary swing-by technique and Differential Evolution algorithm are used.     

一种用于SGCMG奇异规避的CVP轨迹规划

采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的小型敏捷卫星在姿态机动过程中存在着奇异问题.本文从SGCMG姿态控制系统整体出发，将奇异问题转化为状态约束的动态控制问题，基于控制变量参数化(CVP)方法，设计了一种用于SGCMG奇异规避的轨迹规划.该算法在实现小型敏捷卫星大角度姿态机动过程无奇异的基础上，将SGCMG框架角转速的最优轨迹通过CVP方法进行分段线性规划.这种规划策略对框架伺服系统的算法设计无复杂要求，仅需要简单的加减速控制，从而节约了星上资源.在轨迹规划实现过程中，考虑了工程实际中的约束条件，可以按照姿态机动任务要求规划出一条综合考虑能量资源和目标精度的最优轨迹.仿真结果表明：该算法实现了姿态参数轨迹和星体角速度轨迹的平缓变化，目标误差在1×10-3量级，星体在机动过程中运行稳定，SGCMG不会出现奇异现象.     

大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响

本文在考虑大气密度(90km高度以下) 随地理纬度、高度及时间(月份)随机变化的基础上,沿卫星的返回轨道建立了随机大气密度的统计模型。并应用该模型产生的随机大气密度样本,进行返回轨道的Monte Corlo法模拟计算。通过对模拟计算得到的返回轨道参数样本的统计处理,本文分析了大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响。另外,本文还介绍了近似估计大气密度变化对返回轨道参数影响的影响系数法。     

THAAD增程型拦截弹预测制导方法

根据公开资料对THAAD增程型拦截弹建模,针对大射程的特点规划了高抛弹道,生成标准弹道族。提出了迭代预测命中点法,利用解析方法计算剩余飞行时间,基于多项式拟合法寻找标准弹道,确定预测命中点,完成预测制导任务。将迭代预测命中点法与迭代飞行时间法进行对比,迭代预测命中点法初值选取容易,程序运行时间减少20%,制导过程中无需调用标准弹道文件,节省了计算机存储空间。通过改变射程、航路捷径对预测制导方法进行仿真验证,结果表明,拦截弹拦截射程可覆盖到600 km,并且能完成存在航路捷径时的拦截任务,平均脱靶量在200 m以内,应对气动不确定性的效果良好。      

多层次法防空导弹弹道优化设计

为了使导弹优化的弹道更有效地杀伤目标,采用多层次法来设计防空导弹中制导段弹道.整个模型分为3层,第1层是导弹中制导段弹道,第2层是导弹末制导段,第3层是战斗部毁伤目标.第1层弹道限定中末段交班点处的弹道倾角进行优化.交班点弹道倾角作为联系第1、2层的全局变量,随它变化而产生一系列的优化弹道.第2层是导弹自寻的模型,通过Monte-Carlo仿真得到脱靶量分布的数学期望和标准差,这是联系第2、3层的全局变量.第3层由脱靶量的分布计算杀伤概率,最大杀伤概率对应的第1层弹道就是系统的最优解.多层次法表明了中制导段弹道优化设计和最终导弹杀伤概率之间的关系,使得杀伤概率这一效能指标能够作为中制导段弹道优化的指标.最后进行了拦截高空高速巡航目标和低空低速巡航目标的算例计算.