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。     

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。     

充气式再入航天器结构参数优化及防热试验工程方法

用工程算法对充气式再入航天器的全展开半径,半锥角,刚性头锥半径与全展开半径之比三个方面的参数进行了优化计算,获得同时满足航天器质量,刚性头锥及柔性防热系统温度约束条件的充气式再入航天器的设计方案,计算得到了优化设计方案整个再入过程的外热流密度和温度变化规律,并且通过与文献中数据对比,验证了文中工程算法的正确性。针对再入过程的外热流密度和温度条件,参考充气式再入返回试验(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型防热材料,设计不同的柔性防热系统结构试验件。最后,通过热冲击试验,得到了各试验件冷端的温度响应,验证了各试验件在再入温度条件下防热性能。文章提出的柔性防热系统结构的改进方向,可为充气式再入航天器的设计分析提供参考。     

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...     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

低密度硅基材料烧蚀机理分析与工程计算

从低密度硅基材料烧蚀机理分析这一角度出发,阐述载人飞船返回舱大面积防热结构的设计思想,并给出了经过地面试验检验的计算结果。论述的主要内容:(1)分析了神州一号返回条件下,材料的烧蚀机理;(2)优化出影响材料的烧蚀性能的主要参数;(3)指导了烧蚀材料的研制,对烧蚀材料有明确的性能要求;(4)确定了防热结构在载人飞船返回条件下,大面积防热结构的厚度。此分析用于载人飞船飞船的研制,并为飞行试验所验证。     

神舟飞船防热大底结构设计

简要介绍了神舟飞船返回舱上的主要防热部件——防热大底的结构设计特点。从受热、受力和结构合理布局多方考虑,确定防热大底采用大面积烧蚀层和背壁玻璃钢蜂窝夹层结构、整体玻璃钢环的复合结构形式。经过大面积烧蚀计算与温度场分析、局部突起物烧蚀计算与温度场分析、防热大底受气动外压计算分析、静力计算分析以及详细的结构设计,设计出的防热大底较联盟号防热大底轻,结构比“双子星座号”飞船的防热大底简单。经过一系列的地面试验和神舟飞船的三次成功飞行试验,防热大底设计的正确性、合理性得到了充分验证。     

充气式再入柔性热防护系统热流及结构研究

建立了充气式再入返回航天器的展开模型,用工程算法对整个再入过程的外热流和温度进行了估算。根据再入过程的外热流和温度条件,参考"充气再入飞行器试验"(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型热防护材料和结构设计,建立了柔性热防护系统结构模型及传热模型,通过ANSYS有限元方法计算出柔性热防护系统各功能层再入过程中的温度响应。文章从功能层材料、功能层铺层顺序和复合功能层三方面,初步分析比较了各种方案的充气式再入柔性热防护系统的防热效果,可为充气式再入返回柔性热防护系统的设计分析提供参考。     

载人飞船舷窗防热与密封结构的设计与试验

讨论了研制中国载人飞船舷窗防热和密封结构的几个技术难题:1)保证舷窗在返回的高温环境中防热与密封可靠;2)保证窗玻璃材料与周围防热材料烧蚀同步,避免出现局部干扰热流;3)进行多种异质材料,包括透明材料组成的复杂结构温度场的分析计算;4)通过地面模拟试验准确地预测实际飞行条件下舷窗的防热与密封性能。文章阐述了解决这些难点的主要方法和结果。神舟一号至神舟六号的飞行成功表明,舷窗结构的防热和密封性能良好,同时,也给舷窗防热与密封设计技术做了多次飞行验证。     

载人登月返回再入有关问题初步研究

载人登月返回再入涉及到三体问题,且与近地轨道返回再入相比速度更大.因此再入方式的选择和再入弹道的设计涉及到飞行器的方案和再入返回的安全.通过对不同返回再入方式的对比分析,认为跳跃式再入是优选方案.再入点选择、再入过载、升阻比、再入航程、再入轨道倾角都是返回再入方案设计中需要考虑的问题,需结合工程实际进行深化论证,文章提...     

温度交变环境下防热结构胶层厚度设计

再入返回式航天器飞行过程中,在轨温度交变环境下防热结构胶接热应力一直是航天器可靠性设计的关注內容恼乱浴爸忻芏确廊炔牧?硅橡胶-金属“”的胶接结构作为对象,针对典型的低地球轨道温度交变环境,选取±100℃/5个循环环境作为分析条件,用ANSYSWorkbench建立了结构有限元分析模型,考察了不同胶层厚度对于结构热应力及热变形的影响。基于有限元计算结果、热应力理论及胶接工艺分析,给出了温度交变环境下防热结构的胶层厚度设计结果.该有限元模型分析方法可为防热结构热匹配特性研究和设计提供基础依据。     

航天器非地球轨道热环境模拟技术探讨

月球、火星探测器等非地球轨道航天器与地球轨道航天器对热控的要求有很大的不同,为验证热控设计的合理性,必须在地面做好充分的热环境模拟试验.国内绝大部分空间环模设备都是以模拟地球轨道航天器在轨环境为目的建设的,显然不能满足深空探测需要.文章针对航天器非地球轨道深空热环境模拟技术进行探讨.     

嫦娥五号平动点拓展任务轨道方案研究

中国嫦娥五号探测器成功实现月球采样返回任务,为最大限度利用任务资源,研究了利用嫦娥五号轨道器的平动点拓展任务轨道方案,设计了平动点轨道及其转移轨道.首先,给出了任务轨道设计的轨道动力学模型,包括圆型限制性三体问题模型和精确力模型.其次,基于嫦娥二号和嫦娥5T1平动点拓展任务设计经验,介绍了平动点轨道直接转移与入轨等轨道...     

同波束VLBI技术用于月球双探测器精密定轨及重力场解算

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。
     

月球无人采样返回探测器一体化热管理方案

针对我国首个月球无人采样返回探测器"嫦娥五号"所面临的散热难题,在调研国外月球采样返回探测器热控方案的基础上,通过论证提出一种"泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器"的一体化热管理方案。该方案能够实现"嫦娥五号"着陆器、上升器热量与热沉的综合管理与利用;同时在国内首次将高适应能力主动热控体系结构应用到深空探测航天器中,推动了我国深空探测航天器热控技术的跨越式发展。     

Manifold dynamics in the Earth–Moon system via isomorphic mapping with application to spacecraft end-of-life strategies

Recently, manifold dynamics has assumed an increasing relevance for analysis and design of low-energy missions, both in the Earth–Moon system and in alternative multibody environments. With regard to lunar missions, exterior and interior transfers, based on the transit through the regions where the collinear libration points L₁ and L₂ are located, have been studied for a long time and some space missions have already taken advantage of the results of these studies. This paper is focused on the definition and use of a special isomorphic mapping for low-energy mission analysis. A convenient set of cylindrical coordinates is employed to describe the spacecraft dynamics (i.e. position and velocity), in the context of the circular restricted three-body problem, used to model the spacecraft motion in the Earth–Moon system. This isomorphic mapping of trajectories allows the identification and intuitive representation of periodic orbits and of the related invariant manifolds, which correspond to tubes that emanate from the curve associated with the periodic orbit. Heteroclinic connections, i.e. the trajectories that belong to both the stable and the unstable manifolds of two distinct periodic orbits, can be easily detected by means of this representation. This paper illustrates the use of isomorphic mapping for finding (a) periodic orbits, (b) heteroclinic connections between trajectories emanating from two Lyapunov orbits, the first at L₁, and the second at L₂, and (c) heteroclinic connections between trajectories emanating from the Lyapunov orbit at L₁ and from a particular unstable lunar orbit. Heteroclinic trajectories are asymptotic trajectories that travels at zero-propellant cost. In practical situations, a modest delta-v budget is required to perform transfers along the manifolds. This circumstance implies the possibility of performing complex missions, by combining different types of trajectory arcs belonging to the manifolds. This work studies also the possible application of manifold dynamics to defining suitable, convenient end-of-life strategies for spacecraft orbiting the Earth. Seven distinct options are identified, and lead to placing the spacecraft into the final disposal orbit, which is either (a) a lunar capture orbit, (b) a lunar impact trajectory, (c) a stable lunar periodic orbit, or (d) an outer orbit, never approaching the Earth or the Moon. Two remarkable properties that relate the velocity variations with the spacecraft energy are employed for the purpose of identifying the optimal locations, magnitudes, and directions of the velocity impulses needed to perform the seven transfer trajectories. The overall performance of each end-of-life strategy is evaluated in terms of time of flight and propellant budget.     

环月飞行器返回轨道设计与优化

针对传统月地返回轨道设计方法在从初始轨道直接转移的局限性,提出一种基于Lambert问题的月地转移轨道设计方法。该方法重新选取了轨道约束参数,并在笛卡尔坐标系下建立了返回轨道动力学模型,并基于该模型全面分析了返回轨道关于约束参数的变化特性。此外,针对带有约束条件的返回轨道优化设计问题,提出了快速收敛的函数构造法,并给出了有效的目标函数形式。以某一在轨环月飞行器的轨道参数作为初始轨道进行返回轨道计算,结果验证了所提出返回轨道设计方法以及函数构造法的有效性。     

An Algorithm for Safe Landing of a Spacecraft during Descent from a Circumlunar Orbit

Cosmic Research - The problem of safe landing of a spacecraft with a combined propulsion system from a circumlunar orbit to a given place on the lunar surface is considered. Landing safety is...     

探月飞行的调相轨道

早期的探月飞行都采用直接由地球飞到月球的地月转移方式,探测器由运载火箭直接发送到地月转移轨道,这样做的好处是飞行时间比较短,只需3至5天的时间。20世纪90年代开始的新一轮探月活动中采用了一种新的飞行方式,探测器飞离地球前,先在绕地球飞行的调相轨道上运行若干圈,这样做的好处有三：一是可以在运载火箭能力不够的情况下,由探测器来补充;二是可以减小转移轨道中途修正的负担;三是可以扩大发射机会窗口。文章以嫦娥一号探测器及美、日的两个月球探测器为例,详细讨论了这种新的飞行方式,同时还对我国后续探月计划的飞行轨道提出了初步建议。