火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的“绳帆”现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对“绳帆”现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低“绳帆”现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。     

基于双二体假设的载人登月中止轨道特性分析

中止能力是载人登月出现故障时保障航天员安全返回地球的基础。针对混合轨道的中止需求,建立直接中止、多脉冲中止和借助自由返回轨道中止等三种中止方式的轨道计算模型。利用该模型,主要分析了中止轨道在能量需求（用ΔV表征）和返回飞行时间等方面的特性。研究结果表明借助自由返回轨道中止所需能量只相当于最短返回时间直接中止的约1%~5%,但其返回飞行时间在初始段约为最短返回时间的7倍,并随地心距的增加而减小,直至与最短返回时间相当;多脉冲中止在能量需求和返回飞行时间方面均介于两者之间。仿真实例验证了三种中止轨道的有效性。     

深空探测器多次引力辅助转移轨道全局搜索

介绍行星引力辅助近似模型,包括近行星点无动力和有动力两种方式;采用开普勒轨道拼接法与双脉冲Lambert算法,建立多次引力辅助转移轨道的参数优化模型;通过广度优先搜索算法对引力辅助行星序列进行穷举,对发射窗口和天体间转移时间进行离散化网格搜索,每一步网格搜索后均采用合理的定界剪枝方法,减少后续计算量。这种全局搜索方法不需要提前指定引力辅助行星序列,并可得到对应不同飞行时间以及不同引力辅助次数的搜索结果,获得若干多天体引力辅助转移轨道初步结果,为进一步局部优化设计奠定基础。文章给出几组全局搜索算例,得到从地球到火星、木星和土星的多次引力辅助转移轨道,验证了全局搜索方法的有效性。     

基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

火星探测中进入弹道与大气模型重建

火星探测进入段气动参数以及大气参数的实时获取对于进入过程状态确定以及大气模型重建有着至关重要的作用。在尚未掌握基本准确的火星大气数据的条件下开展火星探测,首先有必要利用机载设备在进入过程中实时获取进入舱的各种气动参数,从而重建准确的进入弹道;另外,在探测中测得大气密度以及风场随高度的变化情况,有助于建立火星大气参数模型,为以后的火星探测任务提供依据。文章以"火星科学实验室"为研究对象,详细介绍了表面压力分布模型的建立过程,最后建立了迭代的拓展卡尔曼滤波方程,用于气动参数与大气密度以及风场的实时估计。     

垂直返回重复使用运载火箭技术分析

结合SpaceX公司近期进行的多次猎鹰火箭一子级垂直着陆返回技术试验,对比分析垂直返回重复使用运载火箭两种返回方式的工程应用价值。首先,建立运载火箭一子级动力返回段弹道设计动力学模型。随后,提出基于H-V飞行剖面分段返回弹道设计方法。然后针对“返回原场”（RTLS）和“不返回原场”(NRTLS)两种垂直返回方式,构建综合考虑上升段与返回段的推进剂耦合作用的一体化弹道优化设计策略。最后,通过数值仿真,对比分析了两种返回方式下的火箭运载能力。结果表明,采用“不返回原场”方式的运载能力损失仅占“返回原场”方式的一半,具有较好的工程应用价值。     

载人月球极地探测地月转移轨道设计

针对载人月球极地探测任务,采用一种自由返回轨道与三脉冲机动轨道相结合的地月转移轨道方案.关于自由返回轨道部分的设计,建立了基于近月点伪参数的两段拼接模型,采用一种考虑地球扁率修正的改进多圆锥截线法进行求解,仿真结果显示改进的多圆锥截线法具有更高的求解精度,可为精确设计提供更好的初值;关于三脉冲机动轨道部分的设计,基于混...     

火星探测无动力借力飞行轨道研究

对无动力情形的借金星引力辅助变轨进行了研究,并完成了火星探测轨道的设计;首 先使用Jacobi积分得到了蒂塞朗准则,在利用速度矢量图对借力飞行轨道的特性进行分析后 ,得到了Williams提出的C3匹配法,证明了蒂塞朗准则和C3匹配的同一性;在 搜索借力飞行的可行性转移轨道中,采用C3匹配对借金星引力的火星探测轨道进行了 仿真,并对结果进行了分析,最后使用蒂塞朗准则对C3匹配的仿真结果进行了检验。     

翱翔系列立方星的发展和展望

针对西北工业大学“翱翔”系列立方星在低成本、短周期、快响应的立方星技术方面的突破，介绍了应用于大气层外偏振导航技术试验的世界首颗12U立方星“翱翔之星”，世界首次组网开展低热层大气参数测量的QB50计划“翱翔一号”立方星等，总结了“翱翔”系列立方星的标准化结构设计、姿态控制系统、电源系统、星载计算机、通信与测控、部署器等核心系统的发展现状，介绍了自主研制的飞轮、磁力矩器、偏振敏感器载荷。并基于在轨组装，编队飞行，一箭多星等技术对“翱翔”系列立方星的应用进行了展望，对探索柔性、高精度、长寿命的立方星将有重要的意义。     

图片新闻

2009年3月31日，欧航局与俄罗斯生物问题研究所宣布“火星-500”计划的105昼夜模拟火星飞行试验正式启动。6名乘员将被封闭在生物医学研究所模拟舱内，模拟火星任务中的所有环节，如飞往火星、围绕火星轨道运行、在火星表面登陆以及返回地球。试验期间，乘员们只能彼此间进行人际交流，如果要和亲人和朋友进行语音交流，则必须通过一个模拟的飞控中心进行，飞控中心和模拟飞行器之间的交流会有20分钟的时间延迟。     

General solution for the optimal trajectory of an AFE-type spacecraft

The aeroassisted flight experiment (AFE) refers to an experimental spacecraft to be launched and then recovered by the Space Shuttle. It simulates a transfer from a geosynchronous Earth orbit (GEO) to a low Earth orbit (LEO). In this paper, with reference to an AFE-type spacecraft, an actual GEO-to-LEO transfer is considered under the following assumptions: the GEO and LEO orbital planes are identical; both the initial and final orbits are circular; the initial phase angle is given, while the final phase angle is free. The aeroassisted orbital transfer trajectory involves three branches: a preatmospheric branch, GEO-to-entry; an atmospheric branch, entry-to-exit; a post-atmospheric branch, exit-to-LEO. The optimal trajectory is determined by minimizing the total characteristic velocity. The optimization is performed with respect to the velocity impulses at GEO, LEO, and the time history of the angle of bank during the atmospheric pass. It is assumed that the entry path inclination is free and that the angle of attack is constant, = 17.0 deg. The sequential gradient-restoration algorithm is used to compute the optimal trajectory and it is shown that the best atmospheric pass is to be performed with constant angle of bank. The resulting optimal trajectory constitutes an ideal nominal trajectory for the generation of guidance trajectories for two reasons: the fact that the low value of the characteristic velocity is accompanied by relatively low values of the peak heating rate and the peak dynamic pressure; and the simplicity of the control distribution, requiring constant angle of bank.     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。     

Optimal trajectories for the aeroassisted flight experiment

This paper deals with the determination of optimal trajectories for the aeroassisted flight experiment (AFE). The intent of this experiment is to simulate a GEO-to-LEO transfer, where GEO denotes a geosynchronous Earth orbit and LEO denotes a low Earth orbit. Specifically, the AFE spacecraft is released from the Space Shuttle and is accelerated by means of a solid rocket motor toward Earth, so as to achieve atmospheric entry conditions identical with those of a spacecraft returning from GEO. During the atmospheric pass, the angle of attack is kept constant, and the angle of bank is controlled in such a way that the following conditions are satisfied: (a) the atmospheric velocity depletion is such that, after exiting, the AFE spacecraft first ascends to a specified apogee and then descends to a specified perigee; and (b) the exit orbital plane is identical with the entry orbital plane. The final maneuver, not analyzed here, includes the rendezvous with and the capture by the Space Shuttle. In this paper, the trajectories of an AFE spacecraft are analyzed in a 3D space, employing the full system of 6 ODEs describing the atmospheric pass. The atmospheric entry conditions are given, and the atmospheric exit conditions are adjusted in such a way that requirements (a) and (b) are met, while simultaneously minimizing the total characteristic velocity, hence the propellant consumption required for orbital transfer. Two possible transfers are considered: indirect ascent (IA) to a 178 NM perigee via a 197 NM apogee; and direct ascent (DA) to a 178 NM apogee. For both transfers, two cases are investigated: (i) the bank angle is continuously variable; and (ii) the trajectory is divided into segments along which the bank angle is constant. For case (ii), the following subcases are studied; 2, 3, 4 and 5 segments; because the time duration of each segment is optimized, the above subcases involve 4, 6, 8 and 10 parameters, respectively. It is shown that the optimal trajectories of cases (i) and (ii) coalesce into a single trajectory: a two-subarc trajectory, with the bank angle constant in each subarc (bang-bang control). Specifically, the bank angle is near 180° in the atmospheric entry phase (positive lift projection phase) and is near 0° in the atmospheric exit phase (negative lift projection phase). It is also shown that, during the atmospheric pass, the peak values of the changes of the orbital inclination and the longitude of the ascending node are nearly zero; hence, the peak value of the wedge angle (angle between the instantaneous orbital plane and the initial orbital plane) is nearly zero. This means that the motion of the spacecraft is nearly planar in an inertial space.     

自由返回轨道的P平面参数快速设计方法

针对自由返回轨道求解过程中地心轨道类型变化造成的B平面参数方法计算失败问题,提出一种基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法。首先,基于轨道半通径参数的普适性,给出了不同轨道类型的P平面参数定义,建立了以P平面参数为求解目标量的自由返回轨道求解模型。其次,给出了基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法,在构建的瞬时地月惯性系下,以平面双二体自由返回轨道作为初值,实现了高精度力模型下的自由返回轨道快速求解。对8种构型自由返回轨道的设计结果表明,P平面参数具有类似于B平面参数的大收敛域,且有效解决了轨道类型变化对计算的影响,可直接应用于中国后续月球探测任务轨道设计。     

基于分段常滑翔角的长航时纵向远程滑翔飞行方程近似解

提出用包含地球旋转效应的n个常滑翔角飞行段近似实际滑翔飞行轨迹的方法。基于该方法推导了长航时纵向远程滑翔飞行轨迹近似解，并给出了各段常滑翔角、滑翔时间的求解方法及整个滑翔轨迹近似计算步骤。文中算例结果表明，该近似求解方法计算得到的滑翔航程和滑翔时间与实际值相差很小，航程误差率约为0．7％，时间误差率约为0．6％，因此该方法在近似小初始滑翔角的长航时远程纵向滑翔飞行时是有效的、可行的，尤其针对航程在地球半圈以上的滑翔飞行轨迹。     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹优化

针对吸气式高超声速巡航飞行器建立了纵向平面内的二维轨迹优化模型(包括火箭助推段和吸气式飞行段),其中大气模型、气动力模型和发动机模型均建立了比较详细的模型,能够比较全面、准确地描述吸气式高超声速巡航飞行器的特征;基于配点法建立了适用于高超声速巡航飞行器助推-巡航轨迹优化的方法,在求解非线性规划时引入了规范化处理、稀疏分...     

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。     

采用弱攻角补偿与脱敏设计的火星进入段制导

为提升火星进入段存在多种扰动时的制导末端精度,在现有三自由度脱敏设计的基础上,提出针对大气密度及升阻力系数波动的弱攻角补偿方法。通过攻角调整,协调升、阻力加速度测量值相对理论计算值的偏离程度,使加权形式的偏离程度指标趋近于1,从而降低气动参数波动对制导精度的影响。相平面分析和反证法证明了攻角调整过程的稳定性。蒙特卡洛仿真结果表明,该方法可达到较高的纵向末端状态精度。     

基于序列凸规划的运载火箭轨迹在线规划方法

针对大气层内气动力对轨迹规划求解实时性与收敛性的影响,提出一种基于模型补偿序列凸规划的大气层内火箭轨迹规划方法.该方法的核心思想是通过设计一种序列补偿的方式,将火箭动力学中非线性项(气动力加速度与重力加速度)与过程约束项(动压、过载约束等)进行凸化,从而将轨迹规划问题转化为序列凸规划问题而得到快速求解.在此基础上,本文...