载人登月飞行器高速返回再入制导技术研究 被引量：20

1

作者 胡军 张钊 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第12期1678-1685,共8页

返回再入段是载人登月任务完成后,保证宇航员安全返回地球的关键阶段,其跳跃式再入制导方法的研究是我国载人登月任务需要突破的一项重要关键技术.由于探月返回飞行器速度极高,其弹道特性与神舟飞船一类的近地轨道返回的飞行器有较大差... 返回再入段是载人登月任务完成后,保证宇航员安全返回地球的关键阶段,其跳跃式再入制导方法的研究是我国载人登月任务需要突破的一项重要关键技术.由于探月返回飞行器速度极高,其弹道特性与神舟飞船一类的近地轨道返回的飞行器有较大差别,也给制导导航与控制(简称GNC,以下同)系统设计带来较大挑战.与无人再入飞行器相比,载人飞行器需要具备防过载超限能力、大范围再入航程适应能力、高精度落点控制能力.为了满足上述要求,本文提出了一套基于全系数自适应校正的预测制导方案.在再入前,通过对基本倾侧角进行校正,提高了规划弹道对再入初始条件散布的适应性;再入后利用外环的预测与全系数自适应校正实现对规划弹道的持续修正,保证规划弹道与飞行器状态的匹配性,内环则采用短周期的弹道跟踪制导;对于横向制导,本文给出和比较了采用实时漏斗制导律、独立预测–校正制导律方案以及横航向独立自校正和耦合自校正方案. 展开更多

关键词 载人登月 跳跃式再入 预测制导 全系数自适应 弹道规划

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无人月球采样返回工程总体设计——嫦娥五号任务 被引量：16

2

作者 胡浩 裴照宇 +8 位作者 李春来 彭兢 李东 董光亮 刘鹰 任俊杰 王琼 庞涪川 高磊 《中国科学：技术科学》 EI CSCD 北大核心 2021年第11期1275-1286,共12页

嫦娥五号是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,本文阐述了嫦娥五号的任务目标和主要技术指标,从系统组成、设计约束和飞行过程3个方面介绍了工程技术方案,重点研究了地外天体采样返回工程系统方案、表取和钻取两种采样模式等... 嫦娥五号是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,本文阐述了嫦娥五号的任务目标和主要技术指标,从系统组成、设计约束和飞行过程3个方面介绍了工程技术方案,重点研究了地外天体采样返回工程系统方案、表取和钻取两种采样模式等7个工程取得的主要技术创新,分析了再入返回飞行试验、月面着陆起飞综合验证试验等8项涉及任务匹配性、协调性和正确性的大型试验,可为后续其他地外天体采样返回任务提供重要参考. 展开更多

关键词 嫦娥五号 月面采样 月面起飞 交会对接 跳跃式再入

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带配平翼月球返回舱跳跃再入轨迹优化设计 被引量：7

3

作者 王银 陆宇平 张崇峰 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期284-289,共6页

为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金... 为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对动压约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低返回舱再入过程中的动压。 展开更多

关键词 配平翼 月球返回舱 跳跃式再入 动压约束 轨迹优化

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基于路径约束分析的跳跃式再入轨迹优化 被引量：5

4

作者 杜昕 李海阳 沈红新 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期1265-1275,共11页

对于跳跃式再入轨迹优化问题,通常的求解方法是不经任何分析直接约束动压、过载和热流密度,再加上控制变量滚转角的约束,往往使问题变得复杂而难以求解。基于跳跃式再入轨迹的动力学特性,将轨迹进行分段,并逐段分析路径约束的特点和内... 对于跳跃式再入轨迹优化问题,通常的求解方法是不经任何分析直接约束动压、过载和热流密度,再加上控制变量滚转角的约束,往往使问题变得复杂而难以求解。基于跳跃式再入轨迹的动力学特性,将轨迹进行分段,并逐段分析路径约束的特点和内在联系,建立起它们之间的解析关系式,由此得到跳跃式再入轨迹优化问题中路径约束的串行施加策略。运用该策略可以在某些情况下减少路径约束的个数,降低优化问题的复杂度;选择优化方法时,为了兼顾全局最优性与高精度结果,采用基于粒子群优化(PSO)算法和高斯伪谱法(GPM)的两层优化策略。仿真结果表明,采用两层优化策略可以得到满足约束的高精度解,路径约束串行施加策略正确可行,优化计算结果与理论分析结论一致。 展开更多

关键词 跳跃式再入 轨迹优化 路径约束 串行施加策略 两层优化策略

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一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法 被引量：4

5

作者 张洪波 曾亮 《飞行器测控学报》 CSCD 2014年第1期82-87,共6页

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,... 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 000km再入航程时,开伞点误差在2.5km以内。 展开更多

关键词 跳跃式再入 预测—校正制导 有界试位法 参数辨识

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再入动力学的性质及其在轨迹优化中的应用 被引量：1

6

作者 王泽国 孟斌 《空间控制技术与应用》 2012年第6期6-12,共7页

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... 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. 展开更多

关键词 探月返回 跳跃式再入 轨迹优化 再入动力学的性质 初值调整

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飞船跳跃式再入第一次再入能量管理方法 被引量：2

7

作者 曾亮 张洪波 郑伟 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第10期1155-1162,共8页

针对探月飞船跳跃式再入第一次再入能量管理问题,设计了一种能量管理方法。首先,采用大倾侧角再入,快速进入能量管理阶段;然后,对能量耗散速度进行控制,并预估跃起点的能量以确定飞船的跃起时机;最后,在能量管理结束后按设计指令过渡到... 针对探月飞船跳跃式再入第一次再入能量管理问题,设计了一种能量管理方法。首先,采用大倾侧角再入,快速进入能量管理阶段;然后,对能量耗散速度进行控制,并预估跃起点的能量以确定飞船的跃起时机;最后,在能量管理结束后按设计指令过渡到跃起点。为检验能量管理方法的有效性及鲁棒性,基于标准轨迹法设计制导律,并进行仿真分析。仿真结果表明,该能量管理方法能改善轨迹跟踪性能,提高再入制导方法的精度和鲁棒性,并避免飞船在一次再入和二次再入过程中出现较大过载的现象。 展开更多

关键词 探月飞船 能量管理 跳跃式再入 再入制导 标准轨道法

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基于同伦方法的跳跃式再入轨迹优化 被引量：1

8

作者 吴旭忠 唐胜景 +1 位作者 郭杰 朱大林 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第3期221-225,共5页

采用间接法,以总气动热载荷最小为优化目标,对Apollo型飞行器的月球返回再入轨迹进行优化,同时考虑关于热流密度的二阶状态变量约束.为了克服基于解决多点边值问题的打靶算法的收敛域小,难以猜测初值以及需预先知道约束结构的难点,提出... 采用间接法,以总气动热载荷最小为优化目标,对Apollo型飞行器的月球返回再入轨迹进行优化,同时考虑关于热流密度的二阶状态变量约束.为了克服基于解决多点边值问题的打靶算法的收敛域小,难以猜测初值以及需预先知道约束结构的难点,提出一种结合自动判断约束结构和初始化对应打靶方程技术的同伦方法.将一个较简单的无状态约束最优控制问题逐渐过渡到需解决有约束的最优控制问题以完成轨迹优化求解.数值算例表明,使用该同伦方法可以有效地满足月球返回飞行器最优初始再入段的状态变量约束. 展开更多

关键词 最优控制 二阶状态变量约束 同伦方法 跳跃式再入

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探月飞船跳跃式再入组合制导方法 被引量：1

9

作者 曾亮 张洪波 +1 位作者 郑伟 罗宗富 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第6期70-75,共6页

针对预测-校正制导方法计算量大的问题,提出一种结合预测-校正法和标准轨道法的组合制导方法。在一次再入段采用预测-校正法提高制导方法的鲁棒性能,在二次再入段采用标准轨道法减少计算量。该组合制导方法通过利用标准轨道信息,减少了... 针对预测-校正制导方法计算量大的问题,提出一种结合预测-校正法和标准轨道法的组合制导方法。在一次再入段采用预测-校正法提高制导方法的鲁棒性能,在二次再入段采用标准轨道法减少计算量。该组合制导方法通过利用标准轨道信息,减少了预测时间;通过设计指令快速迭代算法,减少了迭代次数;并根据飞船二次再入点处的实际状态,修正标准指令剖面,提高二次再入制导性能。仿真结果表明:该组合制导方法能大幅减少预测时间,提高校正速度,并具有较高的鲁棒性和精度。 展开更多

关键词 探月飞船 跳跃式再入 再入制导 组合制导

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基于改进Gauss伪谱法的探月返回器跳跃式再入轨迹优化设计 被引量：1

10

作者 郭敏文 王大轶 《航天控制》 CSCD 北大核心 2013年第4期31-38,共8页

基于改进的Gauss伪谱法,研究了探月返回器跳跃式再入轨迹优化设计问题。首先给出了探月返回器再入轨迹优化问题的三维模型。然后针对探月返回器配平攻角飞行的特点,考虑到实际倾侧角反转机动不可能瞬时完成,对单一控制变量倾侧角的变化... 基于改进的Gauss伪谱法,研究了探月返回器跳跃式再入轨迹优化设计问题。首先给出了探月返回器再入轨迹优化问题的三维模型。然后针对探月返回器配平攻角飞行的特点,考虑到实际倾侧角反转机动不可能瞬时完成,对单一控制变量倾侧角的变化范围进行合理限制,并以总吸热量为性能指标,设计了满足过载和驻点热流约束的小升力体大航程跳跃式再入轨迹。最后基于该优化算法,将返回器在各相同初始条件下发生跳跃和不发生跳跃时的最大航程进行比较,并求解得到在不同升阻比和存在不同程度大气密度偏差时不发生跳跃的再入轨迹最大航程和过载峰值,以分析跳跃式轨迹在扩大小升力体再入航程方面的优势。 展开更多

关键词 探月返回器 小升力体 改进高斯伪谱算法 跳跃式再入 轨迹优化

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探月返回器跳跃式再入过载抑制算法研究 被引量：1

11

作者 郭敏文 王大轶 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第12期1569-1577,共9页

针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力... 针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力,推导得出了与预测校正制导律相结合的过载抑制算法。最后通过仿真校验了该算法在不影响返回器着陆精度的前提下有效实现了过载抑制,各种偏差情况下的蒙特卡洛仿真也体现了该算法的实用性及鲁棒性。 展开更多

关键词 探月返回器 小升阻比 跳跃式再入 开普勒段 蒙特卡洛仿真

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跳跃式再入快速预报校正制导算法研究

12

作者 王峰波 董长虹 《战术导弹技术》 2014年第4期75-81,98,共8页

针对深空探测跳跃式再入返回飞行任务,提出了一种加速的数值预报校正制导算法,该算法通过在预报过程中对开普勒飞行段进行解析轨道预报,以此提高制导算法的预报和迭代校正速度。考虑到忽略大气影响的解析轨道预报精度问题,加速算法选择... 针对深空探测跳跃式再入返回飞行任务,提出了一种加速的数值预报校正制导算法,该算法通过在预报过程中对开普勒飞行段进行解析轨道预报,以此提高制导算法的预报和迭代校正速度。考虑到忽略大气影响的解析轨道预报精度问题,加速算法选择了合适的解析预报激活高度,并在一次下降段和一次上升段分别采用加速制导算法和传统预报校正制导算法的分段混合策略,从而实现制导效率与制导精度的综合性能最优。最后,通过蒙特卡洛仿真试验证明了新算法的加速效果非常明显,有利于预报校正算法的在线应用。 展开更多

关键词 预报校正制导 解析预报 跳跃式再入

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基于Ansys的载人登月跳跃式返回过程中人体胸部骨骼系统损伤分析

13

作者 包佳仪 周前祥 +2 位作者 姚永杰 郭攀 程杨 《载人航天》 CSCD 北大核心 2021年第2期182-189,共8页

针对载人航天器月地返回再入过程对航天员造成损伤的问题,采用有限元方法开展探月飞船跳跃式返回过程中航天员胸部骨骼系统的生物力学仿真分析,对该过程中人体胸部骨骼及软组织可能受到的损伤做出预测。基于CT图像对人体胸部骨骼、韧带... 针对载人航天器月地返回再入过程对航天员造成损伤的问题,采用有限元方法开展探月飞船跳跃式返回过程中航天员胸部骨骼系统的生物力学仿真分析,对该过程中人体胸部骨骼及软组织可能受到的损伤做出预测。基于CT图像对人体胸部骨骼、韧带和椎间盘建立有限元模型,通过肋骨侧弯和胸部撞击实验验证了模型准确性,并在Ansys中计算各骨骼及软组织的受力情况,结合多种国际通用损伤判定标准对航天员胸部骨骼及软组织损伤情况进行分析和预测。结果表明:跳跃式返回过载条件下,航天员胸部骨骼及软组织严重以上损伤发生概率较小,但第1、4、5肋骨及胸2~3、胸3~4椎间盘相对其他部位应力较大,易损伤,应加强防护。研究结果可为航天员防护设备的改进以及航天员训练提供数据支撑。 展开更多

关键词 载人登月 跳跃式返回 有限元分析 胸部力学响应 损伤分析

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考虑地球自转的探月返回反馈线性化跟踪制导律设计

14

作者 王泽国 孟斌 《空间控制技术与应用》 2014年第5期31-35,47,共6页

研究考虑地球自转的探月返回跳跃式再入的纵向制导问题.通过对制导动力学进行详细分析,给出了地球自转对制导精度产生影响的原因.在此基础上,针对探月返回跳跃式再入的纵向制导问题,研究了考虑地球自转的反馈线性化跟踪制导律的设计问题... 研究考虑地球自转的探月返回跳跃式再入的纵向制导问题.通过对制导动力学进行详细分析,给出了地球自转对制导精度产生影响的原因.在此基础上,针对探月返回跳跃式再入的纵向制导问题,研究了考虑地球自转的反馈线性化跟踪制导律的设计问题.当考虑地球自转时,制导动力学十分复杂,如果直接按照非线性系统反馈线性化控制理论进行制导律设计,所需测量量较多,制导律难以实现.设计了一种简化的反馈线性化跟踪制导律,并分析了设计机理.最后进行了数学仿真,与航天飞机反馈线性化跟踪制导律进行了比较,所设计的制导律在一定不确定下制导精度更高. 展开更多

关键词 探月返回 跳跃式再入 制导 地球自转 反馈线性化

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一种跳跃式再入鲁棒轨迹规划方法 被引量：1

15

作者 韩铭麟 胡军 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2022年第4期1-8,共8页

针对跳跃式再入轨迹对再入点状态偏差及气动参数变化具有鲁棒性的需求,提出一种状态扩维的再入轨迹优化问题建模方法,该方法通过将过程约束转换为等式约束的方式,重新定义了过载约束及动压和热流密度约束,并分别建立了增广再入模型和扩... 针对跳跃式再入轨迹对再入点状态偏差及气动参数变化具有鲁棒性的需求,提出一种状态扩维的再入轨迹优化问题建模方法,该方法通过将过程约束转换为等式约束的方式,重新定义了过载约束及动压和热流密度约束,并分别建立了增广再入模型和扩展增广再入模型,保证了多约束条件下再入轨迹优化问题对初值漂移和模型参数扰动的适应能力.数学仿真结果表明:提出的方法对动力学初始状态和气动参数偏差具备强鲁棒性,轨迹的动压、过载和热流密度约束满足设计需求,且精确规划到期望落点.因而具有较好的工程背景和意义. 展开更多

关键词 跳跃式再入轨迹 增广再入模型 扩展增广再入模型 鲁棒性

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嫦娥五号跳跃式再入制导、导航与控制技术 被引量：6

16

作者 王勇 杨鸣 +3 位作者 于丹 董文强 王之 徐阳 《中国科学：技术科学》 EI CSCD 北大核心 2021年第7期799-812,共14页

继2014年嫦娥五号飞行试验器成功完成月地返回跳跃式再入试验任务后,于2020年末,嫦娥五号探测器又一次圆满完成了月球采样跳跃式再入返回,在两次任务中GNC系统均表现稳定并取得了极高的控制精度,这充分证明了GNC系统方案设计的成功和有... 继2014年嫦娥五号飞行试验器成功完成月地返回跳跃式再入试验任务后,于2020年末,嫦娥五号探测器又一次圆满完成了月球采样跳跃式再入返回,在两次任务中GNC系统均表现稳定并取得了极高的控制精度,这充分证明了GNC系统方案设计的成功和有效.本文针对月地返回高速跳跃式再入任务本身对制导、导航与控制提出的挑战进行了分析,同时对GNC分系统方案采取的一系列设计进行了介绍;其中包括一种自适应双环制导体制、导航系统使用策略以及控制律计算等.本文还提供了两次飞行任务的飞行数据并对此进行了分析,实际数据的分析也证明了GNC系统的优良性能. 展开更多

关键词 嫦娥五号 跳跃式再入 自适应双环制导 飞行数据

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