再入参数调整对登月航天器返回再入特性的影响

闵学龙 潘 腾 郭海林

(中国空间技术研究院,北京100094)

1 引言

目前国际载人航天事业的发展正处于转变时期,各航天大国纷纷将目标瞄向载人登月及行星际探索。我国作为世界上第三个独立掌握载人航天技术并具备月球探测能力的航天大国,把载人航天同月球探测活动有机结合起来,借助已取得的宝贵工程经验,适时开展载人登月任务,显然对于提升我国的国际地位、增强综合国力、推进航天科技发展及在新一轮国际空间力量配比中占重要地位等方面具有重要的战略意义。

航天器从月球返回、再入地球是登月任务非常重要的环节,直接决定航天员能否安全返回着陆;开展月球飞行返回再入技术研究、摸清登月航天器再入运动特性显然对于我国实施载人登月任务非常重要。

再入参数对登月航天器返回再入运动特性的影响很大,研究其变化对航天器再入过载、再入航程、飞行时间及落点散布等的具体影响规律,有助于逐步摸清登月航天器再入运动特性,并可为工程实施时返回再入轨道和月地返回转移轨道设计及着陆场的位置大小确定等提供依据和有益参考。

2 再入特性仿真

2.1 仿真初始参数

仿真基于文献[1]、[2]所建动力学模型,利用自主编制的载人航天器深空飞行返回再入运动特性仿真软件(MDSE-RFDST)完成。分析计算基于文献[3]、[4]再入标称参数,假定载人航天器升阻比为0.2～0.3[5-6],升力控制倾侧角恒为0o,即航天器以全升力再入飞行;按表1所给定的不同初始参数,考虑航天器再入角(γA)、再入速度(VA)、再入方位角(ΨA)变化对航天器再入运动特性的影响。

表1 再入初始参数

2.2 仿真结果

研究中进行了大量的仿真计算,其中不同再入角、不同再入速度和不同再入方位角时典型仿真结果如图1～9和表2～4所示。

图1 不同再入角条件下再入过载曲线

图2 不同再入角条件下再入航程曲线

图3 不同再入速度条件下再入过载曲线

图4 不同再入速度条件下再入航程曲线

图5 不同再入方位角条件下再入过载曲线

图6 不同再入方位角条件下再入航程曲线

图7 不同再入角条件下航天器再入星下点轨迹(经度平移处理方便观察)

图8 不同再入速度条件下航天器再入星下点轨迹(经度平移处理方便观察)

图9 不同再入方位角条件下航天器再入星下点轨迹

表2 不同再入角条件下再入飞行仿真典型结果

表3 不同再入速度条件下再入飞行仿真典型结果

表4 不同再入方位角条件下再入飞行仿真典型结果

2.3 结果分析

由仿真结果可以看出:

1)再入角调整对登月航天器再入过载的影响很大,再入角每增大或减小0.1°,就会导致再入过载峰值增大或减小0.5gn以上,且变化幅度随再入角变化量的增加有增大趋势。当再入角变化量为0.5°时,再入过载峰值相差3.2gn以上;再入角变化量达到1°时,再入过载峰值相差将达到6.4gn。再入角变化对航天器再入航程的影响也很大,再入角每相差0.1°,再入航程就相差约300km,且随再入角减小该差值有明显增大趋势。由于航程的偏差,也导致航天器落点散布的增加,且散布主要沿再入飞行航向,变化趋势与航程变化趋势一致。

2)再入速度调整也会引起登月航天器再入过载和航程变化,但因再入速度本身取值范围很窄,其调整引起再入过载和再入航程变化不太大,再入速度每增大或减小10m/s,再入过载峰值变化不到0.1gn,再入航程变化20～30km,相应的航天器落点散布变化趋势和再入航程变化趋势相同。

3)保证登月航天器顺行再入(即再入方位角在±90°范围内)时,再入方位角调整对航天器再入过载和航程基本没有影响,但对航天器落点散布的影响较大。由于再入方位角变化主要反映了返回转移轨道倾角的变化,返回转移轨道倾角变化必然导致航天器再入飞行轨道面发生变化,从而导致航天器落点较大变化,而且方位角变化越大,落点差别也越大。在方位角变化相同的情况下,再入飞行航程越长,落点偏差也越大;对于再入方位角每1°的变化,不同再入航程L时的落点偏差近似为L/57.2958。

3 结束语

根据前文分析及仿真可知:

1)比较各再入参数调整的影响可见,再入角调整对登月航天器再入过载和再入航程的影响最大,其它再入参数调整对航天器再入过载和再入航程的影响均较小。这说明,为控制航天器再入过载峰值,首先要考虑选用合适的再入角,同时也要严格控制再入角的偏差。

2)再入速度变化对登月航天器再入航程及落点散布的影响虽较小,但工程实施中为严格保证航天器的着陆精度,此影响也不能忽视,仍应严格控制再入速度参数的偏差。

3)工程实施时控制返回转移轨道倾角的偏差,就能控制再入方位角的变化,从而达到控制最终落点散布的目的。

4)本文仅研究了在登月航天器半弹道式再入、升力控制倾侧角恒等于零的情况下,再入参数变化对登月航天器返回再入运动特性的影响,而未能考虑登月航天器再入飞行的优化控制;实际工程实践中,为了使控制系统具有调整落点和再入过载峰值的能力,一般会选定倾侧角随时间变化的曲线,后继将进一步研究这方面的问题,以便为工程实施提供更有益的结论。

[1]闵学龙.载人航天器深空飞行返回再入运动特性研究[D].北京:中空空间技术研究院,2009.

[2]闵学龙,潘腾,郭海林.载人深空飞行返回再入模式仿真研究[J].系统仿真学报.2009,16:18-19.

[3]闵学龙,潘腾,郭海林.载人航天器深空飞行返回再入轨迹优化[J].中国空间科学技术.2009,29(04):8-12.

[4]闵学龙,潘腾,郭海林.载人月球飞行返回再入动力学建模与仿真研究[C].张家界:中国飞行力学年会论文集.2008:335-338.

[5]列凡托夫斯基.宇宙飞行力学基础[M].凌福根译.北京:国防工业出版社,1979.

[6]NASA.NASA's Exploration Systems Architecture Study[R].NASA-TM-2005-214062.