欧洲无翼飞船的再人、降落和着陆技术及验证

取消了欧洲有翼载人航天运输系统“赫尔梅斯”计划之后,研完了多种可能的无翼再入飞船方案,用于人员运输、空间站人员救援以及后勤补给任务。飞船结构的复杂性必须在先进性和可能性之间平衡。在欧洲飞船设计中遇到的一项挑战是要求在欧洲大陆精密着陆。本文介绍了无翼再入飞船再入、降落和着陆综合方案的策略。设想的飞船为密封舱型,不具备有翼飞船的横向和机动能力。必须进行适当的技术研究才能满足新型载人航天运输系统对着陆和回收的要求。此外;强度设计以及成本方面的设计必须仔细研究。本文研究了下列问题:着陆场选择敏感性、空气动力学性能、飞行控制定律、气动减速装置特性以及最后的缓冲着陆特性等。在下列方面进行了综合研究,即弹道降落伞与可控翼伞、制动反推火箭与气袋。提出了本方案的技术要求和有关的验证方法,以及总体方案演示程序。     

飞船再入制导研究

在配平迎角飞行的合理假设下，建立了描述载人飞船再入飞行段弹道的数学仿真模型。在飞船再入标准轨道设计和再入机动边界计算的基础上，研究了基于标准轨道法的飞船再入飞行制导规律。六自由度飞行弹道的数学仿真证明，设计的制导律能满足飞船再入飞行制导和定点着陆的要求，同时还得到了飞船再入飞行的某些运动规律和一些有益的结论。     

载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析

随着深空探测任务的发展,载人飞船规模不断加大,返回舱再入返回的质量越来越大,主要依靠降落伞方式减速的难度也随之增大.分析国外在研载人飞船研制特点,特别是国外载人飞船配置反推发动机的可行性,提出利用反推发动机实现制动着陆的方案设想,重点是反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态,以及反推发动机安装位置等对发动机推力、工作时间等参数分析.     

充气式气动减速器气动特性数值分析

<正>根据"中国火星探测计划"的任务规划,我国预计将在2020年实现火星着陆巡视。要想顺利实现火星探测器的软着陆,精准地掌控从进入大气到着陆的EDL过程至关重要。EDL过程通常分为气动减速、降落伞减速、动力减速和着陆缓冲4个阶段~([1])。在载人飞船返回再入过程中,返回舱的大钝角锥形结构与大气层中的气体介质作用可产生与运动方向相反的气动阻力,以实现从地球再入速度至开伞速度的转变,此即为气动减速阶段~([2]),该阶段所完成的减速约占整个EDL减速过程的     

载人飞船返回舱的再入气动环境

本文介绍了载人飞船返回舱的再入走廊和气动环境。为了确定返回舱的自由流条件和驻我条件，其再入轨迹和再入走廊是十分重要的。     

基于自适应伪谱法的载人返回舱着陆段滑模制导方法

针对载人返回舱着陆段使用反推发动机定点着陆问题,基于自适应伪谱法和滑模控制理论提出一种轨迹跟踪制导方案,以同时实现着陆段姿态和轨迹跟踪。首先建立着陆段动力学模型,然后以燃耗最优为目标,使用自适应伪谱法获得着陆段姿态和轨迹指令,其次采用滑模控制理论设计了轨迹跟踪制导方法,实现着陆段轨迹跟踪控制,最后采用数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明:所提方法的燃料消耗和着陆精度均满足反推着陆任务的要求,可为载人飞船反推着陆方案的实施提供有益参考。     

一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法

再入地球大气是探月飞船返回的关键阶段,再入制导是返回再入中的难点问题.飞船跳跃式再入过程复杂,标准轨道制导方法难以满足任务要求,因此具有高精度和强鲁棒性的预测—校正制导方法成为解决问题的首选.以探月飞船跳跃式再入为背景,设计了数值预测—校正制导律,研究了基于嵌套式积分算法的航程快速预报方法和基于有界试位法的倾侧角剖面快速更新算法,提出了一种气动系数误差和大气密度误差的在线参数辨识方法,并基于最大偏差法和蒙特卡洛打靶法进行了仿真分析.结果表明,预测—校正再入制导方法在跳跃式再入问题上具有较高的精度和较好的鲁棒性.5 000 km再入航程时,开伞点误差在2.5 km以内.     

光测设备实现返回舱再入过程实时监测可行性分析

从分析载入飞船返回舱返回过程和一系列目标特性出发，探讨了采用光测设备对返回舱再入过程进行实时监测的可行性，提出了初步的方案设想。通过对探测能力的分析论证，确认光测设备昼夜均可以实现返回舱再入段40km高度以下、60km斜距以内的轨迹测量和返回舱红外热成像的实况图像。在白天再入时，可见光电视还可以实现斜距15km以内伞况变化过程的实时监视。     

“返回舱再入跨流域空气动力学”专栏简介

正可回收类航天器如飞船返回舱、探月返回器等,从空间轨道返回过程先后经历自由分子流、稀薄过渡流和连续流,是一个跨流域多尺度非平衡变化过程。如何准确模拟可回收类航天器以极高速度再入跨流域复杂多物理场非平衡绕流问题,特别是可靠预测近连续滑移过渡流区高超声速气动力/热特性,一直是世界航天再入空气动力学研究前沿与瓶颈,对航天器精细化气动设计与成功回收着陆具有重要作用。为此,国家重点基础     

大气层外救生再入弹道机动能力分析

分析计算了再入速度倾侧角（Ｖ）对大气层外救生再入弹道航程机动能力和再入过载的影响。仿真结果表明，为有利于航天员承受过载，救生轨道设计时对Ｖ的大小将有限制；应急着陆区的计算是进行寻找和达完成邦联着陆的航天员的重要依据，再入弹道航程机动能力的分析和计算对选取和调整应急着陆区是一个有力的支持。     

轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法研究

基于飞行力学、最优控制理论、最优化方法，采用两种轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法－－静态＋动态一体化优化方法和参数最优化方法，研究载人飞船再入的轨迹／总体参数的优化，并比较了两种一体化优化方法的不同特点。通过数字计算，得到飞船的最优滚转程序、升阻比，再入角和再人终端时间。结果分析表明，两种一体化优化方法有得到较高精度。     

高速再入飞行试验再入条件优化设计

飞行器返回再入时将经历极高的气动热环境,因此深空探测返回飞行器,尤其是载人飞船需要通过实际飞行试验验证相关性能,为降低成本和研制风险,通常采用大再入角和相对第二宇宙速度较低的再入速度进行飞行试验。为获得能实现高热流密度验证的最小能量再入任务方案,采用优化设计手段对飞行试验的再入角和速度以及倾侧角控制进行设计,经仿真分析表明,优化结果可达到飞行试验要求的热流密度,并可将再入速度需求降低约2．1 km／s。     

带座舱飞船高超声速再入非平衡流场的数值研究

本文针对带座舱飞船高超声速再入大气层过程中存在的严重气动加热现象 ,利用简单隐式TVD差分格式和激波捕捉法 ,数值求解三维化学非平衡Navier Stokes方程 ,其中化学模型是 7组分 1 5个化学反应的空气化学模型 ,对带座舱飞船再入高度为 70km和速度为6 7km/s的化学非平衡流场进行了数值模拟 ,给出了带座舱飞船再入迎角为 0°,1 0°和 2 0°情况下的壁面热流、表面压力和电子数密度等参数分布     

飞船自主应急返回控制参数确定方法及应用

当飞船在无地面测控支持的运行段飞行时,必须考虑故障情况下飞船自主返回应急着陆区的控制参数确定问题。本文根据飞船自主应急返回的主要特点和应急着陆区的选取原则,在分析飞船再入动力学过程和实际测量数据的基础上,确立了一种飞船自主应急返回的控制参数计算方法及流程,并简要介绍了该方法在“神舟4号”等飞船测控任务中的应用。     

民用飞机新技术的实用化研究

美国和欧洲研究人员已经明确了新一代民用飞机所采用的若干先进技术，包括桁架支撑机翼、层流机翼、短距起飞和着陆技术、开式转子发动机等，并且正在致力于这些新技术的实用化研究和发展。     

飞船返回舱再入阶段高超声速六分量测力试验研究

介绍了在气动中心超高速所激波风洞中进行的飞船返回舱再入阶段高超声速六分量测力试验研究以及马赫数、雷诺数变化对返回舱外形纵向三分量气动特性的影响研究。在试验方案和天平设计中提出和采用了“5 l”方案，即五分量主天平和单分量滚转力矩天平实现六分量测量，模型分段连接使大轴向力对小滚转力矩测量的干扰降至最低。为考核该方案的可行性，还进行了一系列验证性试验，如对比性试验和缝隙影响试验，试验研究结果表明：采用该方案是可行的，成功地测量出了返回舱模型上的小滚转力矩。     

载人飞船返回舱再入末段实时光电测量评估系统

针对载人飞船返回舱再入末段(高度20 km以下)缺乏有效测量评估方法的问题,研制了一套基于小型光电经纬仪的测量评估系统。硬件系统由光电指向器、驱动控制机箱、室内操控盒和显控计算机组成,研发了具有系统监控、图像处理、数据传输功能的管理平台软件,实现了在不同跟踪状态下的电路跟踪模型和复杂背景下的小目标智能识别融合算法。系统支持外引导、自跟踪2种模式跟踪返回舱再入末段至落地全过程。使用多站交汇算法获取返回舱降落轨道数据,实现返回舱落地后的快速落点测量,完成神舟十二至神舟十四号载人飞船返回段回收测量任务。结果表明：该系统为返回舱再入末段的轨道测量和状态评估提供了可靠手段,首次实现了返回舱再入末段高清图像的实时拍摄传输,为飞船指挥控制部门提供了科学、直观、准确的评估依据。     

探月飞船跳跃式再入轨迹可达域分析

针对探月飞船跳跃式再入轨迹分段多、段与段相互耦合、可达域求解与分析较直接再入更加困难的问题,给出了跳跃式再入轨迹可达域的数学描述,在此基础上将可达域求解问题拆分为两类最优控制问题,并建立了相应的优化模型。采用基于高斯伪谱法的两步优化策略进行求解,得到了跳跃式再入轨迹可达域边界。最后分析了初始条件(再入角、再入方位角)对可达域的影响。仿真结果表明两步优化策略能兼顾计算精度和计算效率。     

中继卫星Ka频段支持飞船再入返回通信可行性分析

针对黑障导致测控通信中断这一飞船再入返回需解决的技术难题,根据再入等离子体鞘套影响无线电信号传输的机理和国外飞行试验数据,分析了通过提高通信频率和合理设计天线安装位置解决黑障效应的可行性。结果表明:在现有条件下,利用我国中继卫星系统的工作频率高、数据传输率高和覆盖范围大特点,采用上述技术可以显著降低甚至消除黑障对无线电信号造成的衰减,保障飞船返回的基本测控通信需求。     

基于回收着陆段精细模型的飞船落点预报

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了回收着陆轨迹预报算法,分析比较了简化的三自由度动力学模型和精细的多体动力学模型的数值预报效果,并与“神舟八号”返回舱实时降落轨迹和实测落点位置进行了比较分析.结果表明,精细的伞-舱动力学模型为回收着陆气象风修正落点预报提供了更精确、更详细的信息,利用该模型预测返回降落轨迹和着陆落点位置,有助于减小飞船的搜救范围,缩短搜救时间.