深空探测跳跃式再入返回任务设计

跳跃式再入返回是深空探测任务的关键环节之一,具有关键技术多、设计约束多、地面验证难等特点.本文按照航天器系统工程的设计思想,针对探月三期"嫦娥五号"(Chang'E-5,CE-5)的再入返回任务,开展了约束条件、再入走廊、气动外形、再入返回弹道设计,明确了各项设计要素之间的关系,提出了"嫦娥五号"返回器系统设计方案,并...     

探月三期拉开序幕 航天邮品记载辉煌

<正>机载封2014年11月1日,嫦娥五号T1再入返回飞行试验返回器再入返回地球,多架直升机配合地面单位圆满完成了对返回器进行跟踪、搜索和回收的任务。为此相关单位制作了多种直升机机载纪念封,以示纪念。     

中国首次实现地外天体采样返回 嫦娥五号抱"土"归来

穿越38万公里地月距离,带着约2公斤的珍贵"月壤",嫦娥五号返回器于2020年12月17日1时59分降落在内蒙古四子王旗预定着陆区,中国首次地外天体无人采样返回任务取得圆满成功. 凌晨1时许,在南大西洋海平面高度约5000公里处,嫦娥五号轨道器和返回器解锁分离.返回器以半弹道跳跃式再入返回的方式两入大气层,速度从每秒约...     

嫦娥五号小飞成功

<正>北京时间11月1日6时42分,绰号"小飞"的嫦娥五号T1再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。凌晨5时许,北京航天飞行控制中心通过地面测控站向再入返回飞行试验器注入导航参数。5时53分,再入返回飞行试验器服务舱与返回器在距地面高约5000千米处正常分离。     

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.     

月球采样返回飞控任务多目标协同规划设计

基于月球采样返回任务飞行过程复杂、四器多组合模态协同控制复杂、多类约束关联组合复杂、多种关键控制密集难点,提出了月面采样返回飞行控制任务多目标协同规划设计,确保多目标在轨密集指令与各类型测控资源安排协同有序.分析了月球采样返回与以往月面软着陆和近地交会对接任务的继承差异,设计了复杂多目标器间代传上行控制关系描述、多目标...     

弹道-升力式返回器伞舱盖弹射地面模拟试验准则

根据动力学原理导出了飞行条件和地面试验台、火箭撬试验状态下,伞舱盖在弹射过程中相对于弹道－升力式返回器主体的运动方程.由此,得到伞舱盖地面弹射模拟试验应遵循的准则和应增设的附加力.      

等再入航程返回轨道模糊混合优化设计

为了消除采用梯度迭代求解算法求解再入弹道优化问题时对初始值的依赖，减小遗传算法对种群数量和迭代次数的需求，采用模糊思想设计了改进的稳态遗传-序列二次规划(GA-SQP)混合求解算法。针对等再入航程返回轨道设计问题，提出了初始种群的基因检测方法、基于模糊隶属度的评分函数建立方法和搜索过程中劣质基因的评分方法，考虑了过载超限时间约束、倾侧角翻转最大角速度限制等实际约束，给出了序列二次规划求解过程中再入点在瞄准点之后和制动时长过短的特殊情况下约束的处理方法。采用改进的稳态GA-SQP混合求解算法，可以实现近地轨道变高度返回的情况下等再入航程返回轨道设计。改进的稳态GA-SQP混合求解算法不依赖于初始值，种群数量较小，与未改进的遗传-序列二次规划算法相比迭代次数减少34.7%,计算速度和计算精度均达到工程适用程度。     

深空再入返回飞行仿真及工程应用分析

深空高速再入对返回技术提出了许多新的挑战.采用传统弹道式返回,将使返回器面临残酷的气动热环境,同时需要解决落点偏差大的问题;采用新的预测制导返回技术需要解决返回过程的航迹规划、制导和姿态控制问题.根据球冠倒锥外形飞行器在大气层内再入飞行时的受力情况建立飞行器的动力学模型,然后对弹道式返回和预测制导返回两种飞行方案进行仿真,最后围绕返回飞行总体特性参数和返回方式的技术要求等进行工程应用分析,为深空返回的工程实践提供指导.     

基于模糊逻辑的预测再入制导方法

在研究再入飞行器预测制导基础上,针对实时性要求,提出了一种基于模糊逻辑系统的模糊预测制导方法.首先研究分析了再入飞行器落点纵程与飞行高度、弹道倾角三者之间的联系;设计了以再入飞行器落点偏差和飞行高度为输入,弹道倾角角速度为输出的模糊逻辑系统;并在此基础上根据专家经验制定模糊规则,设计模糊预测制导算法.该方法避免了一般预测制导在形成弹道倾角修正指令时所需要的大量迭代运算,有效减小了预测制导指令的解算时间,为再入飞行器在再入过程中全程使用预测制导提供了可能.仿真结果表明:该方法实时性好,落点精度高,抗干扰能力强,且具有一定的工程实用价值.      

动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

为研究飞行过程中的动力装置启动时刻及燃料消耗情况,对轨迹进行优化,进而提出一种动力增程型弹道的再入模式。推导Sanger弹道的解析解,分析得到高超声速飞行器再入航程最优所必须的迎角及初始速度取值条件等相关前提,利用该结论设计动力装置的启动方式使航程最远、燃料利用率最大。将轨迹设计为Sanger弹道和拟平衡滑翔弹道相结合的混合弹道:再入前期利用助推器间隔点火的方式形成等高类周期跳跃弹道以保证足够远的航程; 再入后期采用拟平衡滑翔弹道,将最优控制问题转化为复杂多约束非线性规划问题,性能指标综合考虑了轨迹平滑和航程。仿真实现了所提出的动力增程型再入弹道; 并在燃料充足、弹道倾角取值合适的条件下,得到“打水漂”弹道形式,该弹道能量损失极慢,具有足够远的飞行能力。仿真表明,与不同点火方式及求解方法得出的弹道相对比,所提动力增程型再入弹道具有3.47~3.84倍的航程、1.04~1.18倍的末端动能以及4.47~15.79倍的燃料利用率。      

过载约束下的探月飞船再入轨迹的在线设计

研究了以第二宇宙速度返回地球的载人探月飞船的再入制导律设计问题.针对基于落点分析的数值预测-校正算法不能有效满足再入过程的气动过载约束条件的问题,提出一种基于解析计算的常值气动过载算法与基于数值积分的预测-校正技术相结合的融合再入制导方案,在线生成了同时满足过载约束和落点精度要求的再入轨迹.数值仿真表明提出的制导算法不仅能满足达到高精度着陆的要求,还能满足气动过载约束要求.在一定的再入初始条件下,探月返回飞船可以不必采用逻辑复杂的阿波罗式跳跃再入方案.这一方案可为即将展开的载人探月活动制定月-地返回轨道和再入策略提供参考.     

探月三期拉开序幕 航天邮品记载辉煌

<正>2014年10月24日,嫦娥五号再入返回飞行试验器在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射升空,我国探月工程三期拉开了序幕。在飞行7日后,返回器于11月1日在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,试验获得圆满成功。此次任务国内相关单位制发了许多的纪念邮品,包括任务的发射、测控、返回等关键性节点,它们见证和记载了这段辉煌的历史。现将收集的邮品分为发射篇、测控篇、返回篇、机载邮品介绍如下,希望读者喜欢。     

深空探测返回器再入制导仿真分析

深空探测返回器再入环境恶劣,为了保证在此情况下仍然能够安全准确地返回,研究LQR标准轨道制导法和预测制导法,分析两种方法对再入初始条件的适应性以及在各种情况下的落点精度,并针对以第二宇宙速度再入的返回器进行数学仿真.仿真结果表明,在较大的初始偏差情况下,预测制导律比LQR制导律具有更小的航程误差.     

探月三期拉开序幕 航天邮品记载辉煌

<正>测控篇在执行此次嫦娥五号再入返回飞行试验器飞行任务中,中国航天远洋测量船基地的远望3号、远望5号和远望6号船分赴印度洋、太平洋预定海域执行海上测控任务,期间远望3号船停靠斯里兰卡科伦坡港。同时,分布在北京、上海、昆明、乌鲁木齐、宜宾、喀什、贵阳、长春等地的地面测控站也参加了测控任务,为飞行试验的成功保驾护航。     

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.     

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。     

探月三期拉开序幕 航天邮品记载辉煌

<正>返回篇2014年11月1日6时42分,绰号"小飞"的嫦娥五号T1再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功。为此各相关单位制作了各种邮品,以示纪念。探月工程三期再入返回飞行试验器成功返回纪念封重庆航天集邮研究会制作。编号:CQHT 2014-2(3-3);规格:175mm×125mm;设计:但胡伟;印量:     

再入动力学的性质及其在轨迹优化中的应用

考虑具有终端约束和过程约束的探月返回飞行器再入轨迹设计问题,通过将性能指标泛函定义为再入终端位置误差的平方和,再入轨迹设计问题转化为具有过程约束和状态方程约束的优化问题.首先仅考虑状态方程约束,利用最大值原理,得到该优化问题的必要条件,选取间接法中的共轭梯度算法求解最优控制量.进而针对轨迹约束问题,研究了再入过载和轨道飞行段飞行距离与航迹角以及倾侧角的关系,在此基础上,提出了采用调整初始倾侧角序列的方法实现过程约束.该算法克服了罚函数方法中需要调节参数较多的问题,并且物理意义明确,实现简单.最后,给出了Apollo再入轨迹优化的数值仿真算例,验证了所给出算法的有效性.     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析,并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点,提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成,主体构型适应于承载返回器和其他装器设备,返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集,具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点,并采用了可重复收拢展开的太阳翼,能够适应收集不同类型深空粒子的需求。