飞行器再入段轨道优化设计

考虑绕月飞行器在月球表面降落的情形和飞行器再入地球大气层的情形，构造两种情形下飞行器再入轨道优化设计的数学模型。并通过数值仿真来分析、验证模型的有效性。     

地球大气再入返回器辐射加热计算方法研究

针对地球大气再入返回器的辐射加热计算方法开展了研究,采用NASA的高温空气辐射加热预测软件QRAD中用到的四光谱带模型,同时考虑了辐射散热效应及非平衡辐射加热.对于返回舱大底的辐射加热分布特性,采用了基于牛顿压力分布的计算方法.计算结果表明,发展的高超声速再人体辐射加热预测方法结果可靠.     

月球返回舱跳跃式再入弹道设计方法研究

不同于近地航天器返回地球,月球返回舱存在再入速度更高、大气和气动参数误差影响更大以及再入动力学耦合更强烈的特点。为缓解这些突出问题,降低月球返回舱所受到的冲击,对跳跃式再入弹道进行了研究,给出了跳跃式返回弹道的设计流程和算法,分析了不同再入角和航程约束下的弹道形态,并针对7 500 km航程可能出现的横向超调现象提出了3种解决方案。其中控制出口射面法引入了"预测-校正"思想,从根本上解决了自由飞行段可能出现的问题。数值仿真结果验证了弹道设计流程和算法的有效性。     

绕月返回飞行再入航程调整的轨道控制

绕月返回飞行的再入航程调整用于扩大发射窗口及应急轨道重构,采用2次联合的轨道控制实现。为求解2次轨道控制的速度增量,在瞬时再入平面内确定新再入状态并进行反向轨道外推得到新返回轨道,再通过指定2次轨道控制时刻,将2次轨道控制的联合求解转化为仅须求解第一次轨道控制速度增量的Lambert转移问题,并利用Lambert制导法或线性修正法进行求解。研究表明,速度增量与再入航程调整量呈线性关系,适当提前再入时刻、扩大2次轨道控制时间间隔有助于减小速度增量。将上述方法及结论用于绕月自由返回轨道再入航程调整轨道控制策略的计算分析,可为飞控方案设计提供依据。     

飞船返回控制精度分析与应用

将飞船返回控制过程按不同阶段进行分解,分析返回各阶段的返回控制精度影响因素,并标定返回制动推力系数。根据返回控制精度分析结果,进行技术状态改进,在神舟十号返回任务成功验证了引入返回泄压模型进行轨道预报、采用返回制动推力系数标定结果计算返回控制参数,可以有效提高返回控制精度,对如何减小返回控制误差,在工程设计上具有借鉴作用。     

月球探测器与地球轨道卫星测控通信干扰分析

对月球探测器的测控通信,通信距离遥远,信号空间损耗大,地面站接收机灵敏度高,因此更易受到外来信号干扰的影响。本文根据卫星网络间同频干扰计算方法,分析月球探测器测控通信下行链路受地球轨道卫星发射信号的干扰问题,主要包括月球探测器受地球静止轨道卫星（GEO）和地球非静止轨道卫星（NGSO）的干扰分析。在此基础上实现了仿真,计算其受干扰的可能性。     

VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制

针对模型参数不确定和存在外部干扰的垂直起飞水平着陆（VTHL）可重复使用运载器再入返回姿态跟踪控制问题,提出一种新型预设时间滑模控制方法,使姿态控制误差收敛时间上界与再入初始状态无关且可预先设定。首先基于反正切函数设计预设时间非奇异滑模面,状态量在滑模面可在预设时间内收敛;其次预设时间滑模控制律,引入正弦补偿函数避免控制量出现奇异,以保证滑动模态在预设时间内到达;为提高控制系统鲁棒性并减弱抖振,采用预设时间扩张状态观测器对扰动进行估计和补偿;最后基于Lyapunov理论,证明了控制律可使姿态控制误差在预设时间内收敛;通过数值仿真验证了所提方法的有效性。     

亚轨道飞行器返回侧向制导规划方法

侧向制导方法是亚轨道飞行器返回制导方法中重要的一方面。由于亚轨道飞行器返回飞行过程短,因此采用侧向走廊的方法进行倾斜角的反向控制,末端制导精度差。为此,利用归一化能态方程的积分端点固定、积分过程快的特点,提出了一种快速收敛的迭代倾斜角反向时机规划方法。算例结果表明,采用该方法可以实现反向点的在线规划,从而有效提高了侧向制导精度。     

典型返回再入过载下姿态差异对猕猴生理反应的影响研究

为探究典型登月返回过载下姿态差异对机体生理反应的影响,选取18只猕猴作为实验对象,在动物离心机上模拟过载峰值为13 G、15 G的嫦娥任务(卧姿)与阿波罗登月返回(躺姿)过载环境,采用心电监护仪监测猕猴过载前后心率、血压、血氧饱和度参数变化,并对测试前后行为学变化进行评分。实验结果表明：在峰值为13 G、15 G过载作用下,卧姿猕猴心率最大增幅分别为88%、107%,收缩压/舒张压分别增加了24 mmHg/15 mmHg、18 mmHg/12 mmHg,血氧饱和度分别降低了0%、5%;躺姿猕猴心率最大增幅分别为48%、28%,收缩压/舒张压分别增加了8 mmHg/-4 mmHg、2 mmHg/8 mmHg,血氧饱和度分别降低了3%、1%。13 G过载实验后,卧姿猕猴心率显著高于躺姿猕猴(P=0.015),其余生理参数均无显著差异。2种姿态过载暴露后猕猴均表现出一定程度的精神萎靡与反应灵敏性下降,但卧姿猕猴在扑咬反应上减弱更明显(P=0.035),其余差异不显著。卧姿工况较躺姿工况而言,机体的生理反应对于过载环境更为敏感,心率、血压变化幅度更大。     

飞船返回控制精度分析与应用简

将飞船返回控制过程按不同阶段进行分解,分析返回各阶段的返回控制精度影响因素,并标定返回制动推力系数.根据返回控制精度分析结果,进行技术状态改进,在神舟十号返回任务成功验证了引入返回泄压模型进行轨道预报、采用返回制动推力系数标定结果计算返回控制参数,可以有效提高返回控制精度,对如何减小返回控制误差,在工程设计上具有借鉴作用.     

载人登月返回轨道发射窗口分析与设计

将航天员安全送回地球是载人登月无论成功与否都必须执行的任务。本文建立了从环月轨道出发,以月地转移轨道为设计目标,满足轨道、光照、测控和地球再入等约束的发射窗口的计算模型;提出了从着月点窗口起算、逐步反推的发射窗口选择算法。最后,给出包括低纬/高纬、陆地/海洋四个回收场的月地转移轨道仿真算例。研究结果表明,在我国境内(包括近海)可以实现载人登月的陆地或海洋、低纬或高纬的回收。     

亚轨道飞行器再入通道概念及应用

基于亚轨道飞行器过载、热流、动压峰值集中出现,过载约束成为飞行器返回过程中主要面临的约束这一再入特性,提出再入通道概念,建立再入通道数学模型,以满足不同约束条件下的极限再入飞行仿真轨迹描述再入通道边界。分析和仿真结果表明,可以通过再入通道是否存在来判断再入任务是否可以实现,且再入通道边界参数可作为再入轨迹设计及制导的有效参考值。     

再入返回飞行试验深空网干涉测量应用分析

鉴于我国深空测控网的深空干涉测量系统在探月三期再入返回飞行试验中首次正式执行任务,北京深空干涉测量中心组织佳木斯、喀什深空站对再入返回飞行试验器进行了高精度干涉测量。针对深空站天线无法短时交替观测射电源,从而无法进行干涉测量系统差标校的问题,利用基于稀疏标校数据平滑内插、高精度钟差建模、环境参数时延补偿的数据综合处理策略,实现了干涉测量系统差高精度标校。利用飞行试验器VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)信标下行信号进行干涉测量获取时延观测量,用于飞行试验器联合定轨。联合定轨残差结果表明,深空网干涉测量时延测量精度在1ns水平,对应约100nrad测角精度,可以为飞行试验器精密定轨提供高精度测量数据支持。     

先验模型在载人飞船轨道返回泄压中的应用

载人飞船返回前为保证正常分离而采用了泄压的模式。分析返回泄压影响轨道的问题,建立相应的简化轨道泄压力经验模型,利用载人飞船返回前的测轨数据进行分析,得到了一致的泄压摄动加速度,并将该参数和模型应用于神舟十号载人飞船返回过程中。结果表明,飞船轨道预报至返回制动点的精度达到百米级,与以前的飞船返回过程相比有效提高了制动点的预报精度。     

月地返回轨道误差分析和第一次中途修正时机

分析了月地返回飞行过程中的误差因素和量级采用蒙特卡洛法和统计理论,定量分析了月地返回轨道入轨时刻误差、入轨状态误差、入轨控制误差、转移段定轨误差、中途修正控制误差等各种误差对轨道终端参数的影响。给出了月地返回轨道中途修正的计算步骤,然后以预期再入时刻和目标再入点为修正目标,采用微分改正法计算中途修正所需的速度增量。结合误差分析结果和测控条件,给出第一次中途修正时机的建议和一个具体算例,计算结果表明所提中途修正方法和策略可以修正入轨误差、定轨误差和控制误差的影响,使月地返回轨道可以按预期的再入时刻返回预定再入点。     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接,本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定,提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略,通过引入径向变轨控制量,固定各次变轨点位置,解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案,采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法,构造了基于微分修正的精确数值求解算法,并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型,获得了测控约束下的最优能量解,并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用,验证了此方法的正确性。     

面向载人月球探测的三体周期轨道应用方案分析

为适应未来地月空间飞行器顶层轨道选择与窗口、测控等总体方案论证,对NRHO轨道、L2平动点Halo轨道、DRO轨道等不同三体周期轨道在载人月球探测中的应用进行研究分析,从地月空间转移任务速度增量与飞行时间需求、测控通信、月面可达性、登月窗口、深空拓展任务可行性等方面定量综合评估三体周期轨道的优劣性,对比确定三体周期轨道在载人月球探测不同任务中的适用性。结果表明：3种类型轨道支持登月任务的主要差异在于任务可行性与月球探测区域的选择。研究结果对未来登月飞行器近月空间部署以及轨道方案分析具有一定的参考意义。