载人登月任务中止轨道问题综述

任务中止轨道是载人登月飞行过程中发生故障后,航天员安全返回地球的通道.在总结国内外对任务中止轨道研究的基础上,首先从整体上分析了任务中止的基本要素;然后,结合载人登月飞行过程,重点讨论了各飞行阶段对任务中止轨道的要求及如何合理选择中止轨道的问题.并针对飞行时间和能量消耗两个关键因素,提出任务中止优化的一般途径.最后,对我国载人登月任务中止问题的研究提一些建议.     

地球同步轨道废弃卫星清理方法初步研究

美国IRIDIUM 33卫星与俄罗斯COSMOS 2251卫星相撞事件表明解决在轨卫星相撞事件已经是现实问题.文章分析了失效卫星轨道长期变化规律和对工作在同步轨道航天器的影响,给出了2009年7月两颗地球同步轨道卫星非常接近的计算实例,尽管碰撞并未发生,但同步轨道上由于两颗卫星距离太近而进行规避控制已经是卫星在轨测控的重要内容.基于现成的卫星制造和控制技术,提出了一种清理失效卫星的设想,清理卫星由母星和子星组成,子星体积小且质量轻,用于捕抓失效卫星并将其带离同步轨道,母星携带足够燃料停留在定点位置,用于给子星补充燃料,使子星能够反复使用.文章设计了轨道接近和捕获策略,推导了计算公式,分析结果表明该方法能够充分节省燃料,理论上只需要几颗清理卫星就可以清理干净地球同步轨道.     

嫦娥四号月球探测器定时定点着月控制

嫦娥四号探测器预选着陆点在月球背面冯·卡门撞击坑,着陆区域较小,且要求定时定点着陆控制,同时着陆前的飞行时间长、阶段控制多,因而精确控制难度较大.针对该问题,基于轨道偏差随摄动的演化特性,结合解析法和数值法优点,提出了动力学控制参数的半解析求解方法.首先,通过对着月点和动力下降点位置的分析,得到了着月点和动力下降点位置的解析关系.同时,分析得到了着陆点经度偏差与轨道平面偏差的解析关系.其次,研究了轨道控制策略,按飞行阶段给出了轨道平面偏差到偏航角的转换方法和着月时间到目标半长轴的调整方法.最后,给出了本方法在嫦娥四号工程中的实际应用情况,基于对实际任务结果的分析可见,实现了着月控制参数的快速精确求解.     

载人登月自由返回轨道设计及特性分析

建立了满足载人登月任务约束的绕月自由返回轨道设计模型,将解析法和数值法有效结合起来,提出了一种从初步设计到高精度设计的串行轨道设计策略,仿真结果表明此方法具有求解精度高,计算速度快的特点．通过大量计算仿真,对自由返回轨道的可达月球轨道参数、返回参数、转移速度等轨道特性做出了分析,为载人登月任务轨道方案的制定提供参考．     

分布式SAR小卫星编队轨道设计方法研究

编队轨道设计对分布式SAR小卫星的系统方案设计与性能分析具有十分重要的意义. 基于开普勒轨道方程推导了被动稳定的编队飞行轨道要素的近似解析解, 提出了一种适用于分布式SAR卫星特点的编队轨道设计方法, 并对编队轨道的精度进行了误差分析, 给出了典型的分布式SAR卫星编队轨道要素的计算公式. 针对L波段分布式SAR卫星进行了编队轨道参数设计, 给出了分布式卫星绕飞轨迹的计算机仿真结果, 验证了公式推导的正确性及轨道设计方法的有效性.     

日本计划发射载人宇宙飞船

日本《朝日新闻》报道 ,日本三个宇航机构最近联合编制了宇宙开发设想 ,计划在 2 0 2 0年度正式发射载人宇宙飞船。报道说 ,日本计划利用无人水平起降机发射载人宇宙飞船。自动操作的无人起降机首先负载着宇宙轨道飞船像飞机那样水平起飞升空 ,飞船将在大气层与起降机分离 ,然后依靠自己的动力在轨道上飞行。日本计划发射的宇宙轨道飞船全长 30米 ,主翼宽 14米 ,重 130吨 ,可以乘载 5至 8人。用来发射飞船的无人起降机全长 6 5米 ,主翼宽 30米 ,重 140吨。这三个宇宙机构认为 ,这种宇宙飞船的最大特点是大部分设备和器材可以重复使用 ,能够…     

双月旁转向周期轨道的解集域分析

双月旁转向周期轨道是限制性三体问题框架下的一类大尺度周期轨道.首先,分析了双月旁转向周期轨道的形成机理,采用了圆锥曲线拼接法进行轨道的初步设计;其次,深入剖析了双月旁转向周期轨道的解集域空间,并结合数值仿真,绘制了解集域内轨道参数的分布图;最后,比较了不同地心拱线旋转角速度下的轨道参数,并给出了两条典型轨道在各种坐标系下的轨道图形.结果表明：采用圆锥曲线拼接法进行双月旁转向周期轨道的解集分析是可行的,计算数据和结论能够为进一步轨道设计提供参考.     

嫦娥三号探测器7500N变推力发动机研制

为实现空间飞行器轨道机动、交会对接、星际软着陆等任务,采用具有大范围推力调节能力的变推力液体火箭发动机是比较理想的方案.嫦娥三号探测器采用的7500 N变推力发动机,为我国首台大范围变推力发动机,可按照飞行器的控制指令,准确、快速、无级地改变推力,来实现探测器的中途修正、近月制动及月面软着陆任务.介绍了7500 N变推力发动机的研制情况,包括发动机技术方案、关键技术攻关以及试验验证情况,试验验证和飞行情况表明,发动机设计合理、性能先进、工作可靠.     

载人登月定点返回轨道设计与特性分析

载人登月定点返回要求既满足月球停泊轨道约束,又要满足大气再入走廊和再入点位置约束,同时还需节省能量和时间.本文首先推导了适用于描述定点返回轨道的拼接模型圆锥曲线方程,通过选择物理意义明显的轨道参数作为设计变量,建立了包含转移时间和速度增量约束的定点返回轨道设计模型,然后将解析模型和数值算法有效结合起来设计初始轨道,采用了一种从初步设计到精确设计的串行策略来设计高精度轨道,仿真结果表明此方法具有求解精度高,计算速度快的特点.以上述方法为基础,对定点返回轨道的月心轨道参数、地心轨道参数、转移速度和时间等轨道特性做出了分析,为载人登月任务轨道方案的制定提供参考.     

交会对接载人组合体热管理技术研究

组合体热管理是优化交会对接载人组合体热控设计,实现长期载人热环境控制的重要手段.在对目标飞行器和载人飞船组合体热特性分析的基础上,提出了以舱段间通风为技术手段的交会对接载人组合体热管理方案,并结合热平衡试验数据,建立了组合体热管理系统分析模型.仿真结果、地面热平衡试验数据和在轨飞行数据表明,组合体密封舱内空气流速分布满足要求,温度在19~26°C可调,空气相对湿度在30%~70%范围内,验证了交会对接载人组合体热管理设计的正确性.最后对空间站等复杂组合体热管理设计提出了建议.     

小行星探测目标选择与转移轨道方案设计

系统地研究了我国开展小行星探测目标选择的技术方法和转移轨道设计方案，提出了一套完整的小行星探测任务目标选择与转移轨道方案设计方法．首先，针对小行星探测任务，讨论分析了具有较大科学探测价值目标星的选择问题；然后，针对探测目标的可接近性评价问题，提出了一种多次借力机制的可接近性评价方法，对探测目标进行筛选与评估，得到科学价值与工程可实现性兼备的目标星；根据探测任务发射时段等约束，基于Pork—chop图法确定出小行星探测任务的目标星；最后，根据探测目标的轨道特性，提出了一种基于等高线图法的借力天体选择方法，给出了2：1△V-EGA探测小行星的转移轨道方案．通过对该方案的分析，给出了一种多目标交会转移轨道设计与优化方法，将原方案扩展为中途可飞越两颗主带小行星的“一探三”任务方案，以增加探测任务的科学回报．     

利用引力辅助的行星际周期轨道间转移研究

三体动力学系统动平衡点附近存在的周期轨道在空间探测任务中有着重要的应用价值.本文研究了流形不相交三体系统周期轨道间的转移问题,提出了一种结合流形和引力辅助技术的转移轨道设计方法.首先通过定义近拱点庞加莱映射搜索周期轨道不变流形的近拱点,然后给出了任意初始状态达到一定双曲超速所需速度增量的计算方法,从而得到了最佳逃逸流形和捕获流形的选择依据,并结合等高线图法与近拱点庞加莱映射分析了周期轨道利用该方式进行逃逸或捕获的性质.在此基础上,基于受摄三体模型建立了流形逃逸点到捕获点转移轨道的优化模型,通过微分修正策略将优化模型化简为仅有两个参数的无约束优化问题,并采用单纯形算法进行了求解.以地球-火星和地球-金星转移为例对所提方法的有效性进行了验证,数值结果表明:结合流形和引力辅助技术可有效降低周期轨道间转移的能量消耗.     

载人飞船型谱发展研究

我国"神舟"飞船已成功执行了十次飞行任务,从"神舟十号"开始转入应用性飞行,标志着我国已建成了功能完备的近地轨道载人天地往返运输系统."神舟"载人飞船以三舱构型为基本型,通过逐步补充和完善功能,已形成了天地往返飞船、出舱活动飞船和交会对接飞船3种型谱,具备执行近地轨道空间站天地往返运输任务,也可根据需要开展出舱活动等近地轨道载人飞行的其他任务.未来载人航天发展必须向超越近地轨道,向更远的深空目标探索,因此有必要尽快研制更安全、更可靠、能适应近地和深空多任务的新一代载人飞船.     

高速列车运行于软土地基线路引起的地面振动研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,建立了高速列车-轨道垂向耦合模型和轨道-土体有限元模型,提出了一种研究列车作用下地面振动问题的数值模拟方法.以高速铁路软土地基线路为例,分析了高速列车运行引起的地面振动特性,并探讨了采用水泥土搅拌桩加固软土地基对地面振动水平的影响.结果表明：当移动荷载速度达到土体表面的Rayleigh波波速时,匀质土体会产生类似于结构物共振的现象,而土体阻尼的存在能有效地降低地面振动水平,同时抑制临界车速下振动的突增;随着高速列车运行速度的增加,地面振动水平会不断提高,车速对地面振动的影响主要体现在近轨道区域内;软土地基加固后,地面振动位移和加速度均有不同程度的降低,距离地基加固区越近,水泥土搅拌桩的加固和减振效果越明显.     

月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真

着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基于动力学模型对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制导律是可行的.     

高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系及动力学应用

路桥过渡段不均匀沉降对高速车辆的行车安全性及舒适度影响较大.本文研究了路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系,并将其应用于分析高速动车通过该区域时的动力学特性.首先,分析了路桥过渡段不均匀沉降引起钢轨变形的机理.然后,建立了铺设有CRTS-Ⅲ型板式轨道的路桥过渡段有限元模型,通过大量计算,分析了高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系.在此基础上,基于最小二乘多项式拟合原理,得到该映射关系的函数表达.最后,基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了高速动车以不同方向通过路桥过渡段的动力学性能.研究结果表明:路桥过渡段发生不均匀沉降后的钢轨变形可通过函数式进行描述.轮轨垂向力随着过渡段不均匀沉降差的增加变化不明显,车体垂向加速度随着过渡段沉降差的增加而增大.动力学分析结果可为高速铁路路桥过渡段的施工与养护维修提供技术参考.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

月地高速再入耐烧蚀天线设计与验证

月地高速再入返回飞行器是我国首次深空再入返回的航天器,飞行器以第二宇宙速度再入地球大气层,与近地轨道再入返回的返回式卫星及飞船相比,再入热环境条件更为严酷,具有热流密度峰值高、比热焓高、总加热量大、加热时间长的特点,对于再入飞行器天线设计要求更为苛刻.本文对月地高速再入返回轻小型宽频耐烧蚀天线设计方法以及试验验证情况进行了阐述,给出了试验验证结果,飞行验证结果表明,耐烧蚀天线的防隔热、电、机一体化协同设计与验证技术得到了充分验证,各项性能满足总体指标要求.     

大型液体运载火箭POGO动力学模型研究

本文基于键合图理论的建模思想提出新的液体火箭跷振（POGO）稳定性分析状态变量模型,该模型的系数矩阵线性且非奇异,与以往模型相比更有利于实现模块化建模和时域仿真分析.在此基础上通过模型研究给出补燃发动机燃气系统的动力学模型,使该分析模型可以对采用补燃循环发动机的火箭进行POGO稳定性分析,是对目前POGO理论分析模型的一个重要完善.     

月球借力发射火星探测器方法研究

为了使运载火箭能够适应更多的火星探测器发射窗口要求,本文提出了一种借用月球引力发射火星探测器的新方案：在满足运载火箭要求的条件下将探测器送入经过月球附近的过渡轨道,利用月球引力改变探测器的运动速度,使得探测器进入地火转移轨道.文中给出了一种两阶段搜索的数值方法,设计了月球借力的火星探测器入轨参数,得到满足运载火箭入轨要求的月球借力地火转移轨道.与传统的地火转移轨道相比,探测器入轨速度差别不大,但是本文提出的转移轨道改善了对入轨点近地点俯角的约束条件,降低了对火箭上面级滑行时间的要求.文中通过一个算例表明了该方法的可行性,仿真结果表明,该方法提高了火箭对发射窗口的适应性,同时也为今后的火星及其他行星际探测器发射任务提供了一种新的选择.