嫦娥五号任务再入返回段测控总体设计与实现

针对探月工程三期嫦娥五号任务再入返回段测控任务要求,梳理出轨返分离点测定轨预报、轨返分离前天地校时、初次再入及二次再入关键任务弧段的跟踪测控等主要技术难题,并给出了相应的解决方案,确保了在轨道器与返回器分离(轨返分离)前定轨并预报1 h至分离点,径向、切向和法向三个方向上的位置精度均优于1000 m,速度精度均优于0.5 m/s的测定轨预报要求以及1 ms的校时精度要求,构建了几乎连续覆盖的再入返回测量链,并通过获取的各类遥外测数据对返回器落点进行了预报,精度为1 km量级。任务实践充分表明,测控系统的方案稳妥可靠,有效确保了任务的圆满成功,并可为后续开展小行星采样返回、火星采样返回等任务提供重要技术参考。

“嫦娥五号”任务再入返回段测控布站区域确定方法

针对再入返回任务地面测控总体分析设计中多天多条弹道地面测站布局优化及返回过程中应急情况下快速测控资源调配的问题,提出了一种基于再入段返回器飞行弹道的测站区域分析方法。建立了测站、返回器的位置与测站工作仰角之间的关系模型,在此基础上提出了对返回器可见的测站分布区域确定的具体方法。利用再入返回过程的理论设计弹道,计算了地面测站的分布区域。仿真结果表明,所提出的方法能快速获取对返回器可见的测站区域,已成功应用于“嫦娥五号”(Chang'E-5,CE-5)工程任务中,其可为再入深空返回总体设计、返回应急测控提供借鉴和参考。

嫦娥五号返回器降落伞回收动力学建模与分析

针对探月三期嫦娥五号返回器理论落区范围大造成的回收搜索困难问题,建立返回器回收着陆段高保真动力学模型并结合空投试验进行了模型验证,利用该模型对嫦娥五号回收任务中返回器开伞后飞行轨迹的偏差特性进行了分析,结果表明,利用该模型可以实现对返回器飞行轨迹偏差范围的精准计算,有助于缩小返回器搜救范围,缩短搜救时间。

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11.2公里降至每秒约100米。在距离地面约10公里高度时,红白条纹相间的降落伞打开。1时59分,嫦娥五号返回器稳稳落在白雪覆盖下的内蒙古大草原。

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.

“嫦娥五号”任务总体方案权衡设计

针对月球采样返回任务要求,基于我国运载火箭研制进展、探月工程一期、二期技术基础,对探测器的总体方案、功能模块组成、发射方式、飞行过程等方面进行多方案多轮迭代权衡分析,并逐步优化,最终确定了“嫦娥五号”(Chang’E-5,CE-5)探测器模块组成、主要飞行过程。工程在轨结果充分证明了该方案符合我国探月工程发展规划和航天技术发展的预期,是先进可行的,设计过程采用的NAFVO(Need Available Feasible Viable Optimal)权衡设计方法可为复杂大型航天工程方案的设计提供有益的借鉴。

嫦娥五号回家

12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品,采用半弹道跳跃方式再入返回,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆,探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺电,代表党中央、国务院和中央军委,向探月工程任务指挥部并参加嫦娥五号任务的全体同志致以热烈的祝贺和诚挚的问候。

嫦娥五号回收系统创新揭秘

在第十三届中国国际航空航天博览会(珠海航展)上,中国航天局展出了月壤储存罐,这是嫦娥五号返回器带回月球样本的储存罐。嫦娥五号返回器任务的成功,离不开回收系统的贡献。近日,发表在期刊《空间科学与技术》上的一篇论文介绍了嫦娥五号返回器回收系统的技术要求和限制,回收系统的设计过程,地面伞舱盖弹射试验、空投试验和飞行试验等设计结构的验证试验。

嫦娥五号创造五项中国首次

2020年11月24日,长征五号准时并成功发射,之后探测器地月转移、近月制动、两两分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交会对接及样品转移、环月等待、月地转移,12月17日再入返回、安全着陆,整个工程任务现在转入科学研究的新阶段。23天的时间内,嫦娥五号完成了一次对接、六次分离,两种方式采样、五次样品转移,经历了11个重大阶段和关键步骤,环环相连、丝丝入扣。

嫦娥五号旅途历经十一个阶段

嫦娥五号从发射入轨到返回器再入回收,一共要经历11个飞行阶段:一是发射入轨阶段。嫦娥五号将由运载火箭发射,进入到地月转移轨道的飞行阶段,开启探月返回的旅程。

月地高速再入返回器弹道重建与气动力参数辨识

对嫦娥五号返回器再入飞行数据进行了弹道重建与气动力参数辨识。采用输出误差法辨识传感器误差及状态量初值,完成弹道重建。对重建弹道进行风修正,并获得修正后的攻角和侧滑角。基于修正后的弹道数据,采用线性回归法完成气动力参数辨识。与外测数据对比分析可知,弹道重建结果精度较高。与地面设计数据对比分析可知,气动力数据辨识结果与设计值偏差在合理范围内,从而验证了地面设计数据的可信度。

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,并对再入返回飞行程序和关键任务环节设计进行了说明,经过返回器在轨实际飞行,表明了再入返回任务分析与设计思路正确,为后续的深空再入返回任务奠定了基础。

嫦娥五号探测器地面试验验证技术

嫦娥五号探测器月球无人采样返回任务的复杂性和特殊性对探测器地面试验验证工作提出了很高的要求,试验需求覆盖大系统级、系统级、分系统级、组件级等多个层级,必须针对采样封装、月面起飞、月球轨道交会对接与样品转移、高速再入返回等关键过程进行地面试验验证,试验项目多,试验难度大.在分析了嫦娥五号探测器地面试验验证的特点、各层级试验需求之后,重点介绍了主要大型综合试验的试验系统、试验方法、试验结果等,最后对嫦娥五号探测器地面试验验证技术的创新点进行了梳理,对未来复杂航天器或深空探测器的地面试验和设计验证具有重要的参考价值和指导意义.

嫦娥五号跳跃式再入制导、导航与控制技术

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.

我国新一代载人飞船试验船完成测试

近日,我国新一代载人飞船试验船测试工作近日已在文昌航天发射场完成,计划于4月下旬由长征五号B运载火箭发射。新一代载人飞船试验船是为我国空间站及后续载人航天任务研制的。与神舟飞船相比,新一代载人飞船体型更大,既能载人也可载货,并且可重复使用。此次试验船将验证再入返回控制、防热以及回收等一系列技术,为未来运送航天员往返我国空间站打下技术基础。

中国探月工程:六战六捷,“嫦娥”书写人类探月新篇章

揽月而归,踏梦而行。2020年12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品,采用半弹道跳跃方式再入返回,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。随着嫦娥五号返回器圆满完成月球“挖士”任务,带着月球“土特产”顺利回家。

可上九天揽月,可下五洋捉鳖

【热点点击】材料一:2020年11月24日,搭载着"嫦娥五号"探测器的长征五号火箭发射成功,标志着中国探月工程第三步拉开序幕,这是中国探月工程的收官之战。历经23天,12月17日凌晨,"嫦娥五号"闯过地月转移、近月制动、环月飞行、月面着陆、自动采样、月面起飞、月轨交会对接、再入返回等多个难关成功携带月球样品返回地球。

嫦娥五号任务月地转移轨道设计与实践

嫦娥五号任务是中国首个无人月球采样返回任务,月地返回飞行是该任务相比以往中国探月任务的全新环节,飞行任务与轨道设计面临着全新的挑战.受运载发射重量和国内着陆点高纬度等限制,嫦娥五号探测器采用了月球轨道交会对接后等待能量最优时机返回并以半弹道跳跃方式再入地球的飞行方案.这与前期美国Apollo载人登月任务和苏联Luna无人采样返回任务方案有很大不同.本文以嫦娥五号实际工程任务为背景,系统地介绍了嫦娥五号任务月地转移飞行任务和轨道设计的约束、模型、算法及实际工程实施考虑.针对现有算法在嫦娥五号任务中应用的不足,提出了一种新的解析月地入射制导策略,该策略可以求得从环月椭圆轨道出发的最优入射脉冲并精确瞄准再入点参数.设计了带分离扰动补偿的全目标瞄准月地返回中途修正制导策略,既保证了再入点参数的高精度瞄准又实现了再入点误差的快速收敛.嫦娥五号在轨飞行结果表明,所设计的月地转移轨道以及相应的制导策略满足工程实施要求,再入点参数达到了非常高的控制精度,飞行任务取得了圆满的成功.

月球重力场模型误差对CE-5T1探测器定轨的影响

利用嫦娥五号再入返回飞行试验拓展任务期间获取的探测器(CE-5T1)实测数据,采用内符合方法比较了3种重力场模型的实测数据定轨结果,发现采用GRAIL(Gravity Recovery And Interior Laboratory,重力恢复与内部实验室)重力场模型进行定轨的结果最优。相比于之前的嫦娥系列探测器定轨常用的LP(Lunar Prospector,月球勘探者)重力场模型,采用GRAIL重力场模型定轨后测距数据的残差降低了1个量级。进一步采用不同重力场模型进行轨道外推,定量分析重力场模型对不同类型轨道的影响,结果表明,对于倾角为90°的环月极轨道,不同重力场模型的轨道外推结果差异较小;而对于倾角为20°和40°的环月轨道,不同重力场模型的外推星历的偏差均方根可达到2km,大于当前环月探测器的定轨精度。为此,建议在后续探月任务中使用GRAIL重力场模型进行轨道确定。

追“嫦娥”——嫦娥五号任务全过程记录

图①:11月24日4时30分,在中国文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约2200秒后,顺利将探测器送入预定轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。图②:12月1日,嫦娥五号探测器实施动力下降并成功着陆。图为12月2日在北京航天飞行控制中心拍摄的落月后的嫦娥五号探测器。