“航天器再入返回控制”项目式教学探索与实践

本文基于“航天器再入返回控制”课程的教学特点,开展了项目式教学改革的探索与实践工作。以航天器再入返回控制系统的设计为项目背景,组建了课程的理论知识体系,将“项目引导,任务驱动”等特征贯穿于教学目标、教学内容、教学方法、思政教育以及考核评价五方面的教学设计当中。通过多个子项目以及综合项目的教学与实践,来促进学生知识、能力和素质的培养,并增强学生多学科理论知识的融合能力和项目设计与实践能力。

无控航天器与空间碎片再入的工程预测方法研究现状

无控航天器、火箭末级以及空间碎片再入地球大气层后可能未烧尽,残存的小碎片高速撞击地面,对人类安全和生态系统构成极大威胁。提前预测其再入轨迹并采取预防措施能够有效降低地面风险。文章对无控航天器和空间碎片再入工程预测模型,包括航天器模型、动力学模型、气动热模型和烧蚀解体模型的研究现状进行跟踪与总结,也介绍了国内外有公开资料的工程应用软件,并讨论若干关键问题和进一步研究方向。

再入航天飞机表面热流密度辨识

本文给出了求解表面热流密度辨识这一热传导逆问题的顺序函数法。然后以某模型航天飞机迎风中心线上的某特征点为例 ,将航天飞机再入时的表面热流密度辨识问题简化为一维模型问题 ,用顺序函数法来对该特征点上的对流加热热流密度进行了仿真辨识 ,得到了较理想的辨识结果。

基于遗传算法的再入航天器配重布局优化

提出了一种在遗传算法框架内实现再入航天器配重布局优化的方法,获得的配重分布,可以尽可能小的配重重量代价使再入航天器满足复杂的质量特性要求。该方法将再入航天器可安装配重的区域离散为大量小面积配重区,使每个配重区对应固定质量的配重块,从而对配重布局设计变量进行离散编码,在此基础上建立起再入航天器配重布局优化问题的数学模型,并采用遗传算法求解该优化问题。对某再入航天器示例进行仿真验证,得到优化配重布局方案,以小的配重用量同时满足了质心位置、惯性矩和惯性积的复杂质量特性约束,配重布局显示出复杂空间分布的特点。文章的结果可为各类航天器的配重布局优化提供借鉴。

再入航天器表面亚波长等离子体薄层对微波信号影响效应研究

为了建立电磁波在亚波长等离子体薄层中传播的物理数学模型,并针对通信频段的电磁波,研究电磁波在再入航天器表面等离子体薄层中的透射问题,相关研究成果可为再入航天器通信"黑障"现象研究提供理论基础。模型从麦克斯韦方程组出发,采用微分薄层法进行数值求解,获得了不同等离子体密度条件下亚波长等离子体中目标电磁波的透射特性及传播规律,揭示了截止反射效应和碰撞吸收效应在其中发挥的作用。本研究对于深入了解亚波长碰撞等离子体薄层中电磁波的传播过程具有意义。

采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径

在简述载人航天器再入过程、等离子鞘套特点和中继传输原理的基础上,分析了采用卫星中继克服再入通信黑障的具体途径。考虑到必须采用较高工作频率(Ka频段)的一次中继方法存在一定局限性,提出了一种采用二次中继的新方法,它可以将再入通信的工作频率向低扩展到多数载人航天器在轨常用的S频段。文章讨论了这两种方法的优缺点,论述了实施它们对中继站和再入航天器的主要要求,并就影响其效果和航天器设计的重要因素进行了分析。链路计算结果表明:两种方法都可满足传输需求,从总体上考虑二次中继方法更好一些。考虑到我国空间基础设施和相关技术背景条件,在近期内卫星中继将是解决再入通信黑障问题可实现的技术途径。

再入航天器的神经网络自适应控制

对于再入航天器来说 ,可恢复故障通常会导致总体控制权限的降低。本文将伪控制限制方法和神经网络自适应控制运用到再入航天器的制导与控制中。利用两个控制回路来实现控制目标。其中 ,外回路适用于力的扰动 ,而内回路适用于力矩的扰动。限制外回路以阻止对内回路动态特性的调整。在达到控制极限时 ,伪控制限制也可进行自适应调整。另外 。

再入航天器防热层/金属结构热匹配评价方法研究

概述了在轨温度交变环境下再入航天器防热层/金属结构热匹配的3种评价方法———温度交变试验、热应力理论计算和有限元模型分析。结合工程实际,介绍了3种方法的应用情况和应用特点:温度交变试验可以定性研究温度交变环境及胶层厚度对结构热匹配特性的影响;热应力理论计算能够在一定程度上量化结构热应力等结果;有限元模型分析可以获得结构任意时刻、任意位置的热应力与热变形的量化数据,具有较大的应用优势。通过对比分析,建议采用温度交变试验与有限元模型分析相结合的方法,以实现防热层/金属结构热匹配特性的准确评价,最终验证防热结构方案设计的合理性。

月地高速再入返回航天器时统设计及验证

月地再入返回航天器在第二宇宙速度下实现服务舱和返回器分离,返回器以半弹道跳跃方式准确地再入并着陆在预定回收区,为了保证返回器的导航精度,对返回航天器的时间精度有一定的要求。为此,文章提出适用于二级信息拓扑结构的多舱段航天器的器上时间维护系统(简称"时统")和相应的地面验证系统设计。通过理论分析和地面验证试验,并结合月地高速再入返回航天器真实在轨飞行数据分析,证明此时统设计能够在较长时间内使月地再入返回航天器的器上时间精度保持在较高的水平。

再入航天器返回过程简介

再入航天器的返回技术是当今航天和军事两大领域的关键技术,本文中对再入航天器的返回原理及过程作概括性的介绍。

基于伪控制限制方法的再入航天器自适应控制

文中将基于伪控制限制方法的神经网络自适应控制运用到再入航天器的制导与控制中。利用两个控制回路来实现控制目标。其中,外回路适用于力的扰动,而内回路适用于力矩的扰动。限制外回路以阻止对内回路动态特性的调整,在达到控制极限时,伪控制限制也可进行自适应调整。另外,通过加入加速度计反馈元件来提高系统性能。

再入航天器滚速变化引起的落点误差分析

用转子动力学理论研究了再入航天器滚速变化引起的落点误差。通过分析一般攻角方程，给出了再入航天器的进动规律和配平攻角，据此，求出了不旋转航天器的落点误差；将轨迹分段后，推出了常值滚转速率航天器的平均落点误差；在滚速过零一周范围内，通过确定过零高度，分析了过零误差机理，并对该误差进行了计算；最后，分析了低空联锁共振现象，给出了发生联锁共振的条件和误差计算公式，并得出了几个重要结论。

基于区间算法的航天器再入轨迹优化

区间算法是近年来出现的一种新的全局优化算法,将其引入到再入轨迹优化中来。首先建立了航天器再入区间模型,选取总加热量最小为性能指标,控制量则选为功角和滚转角;然后讨论了区间算法在再入轨迹优化中的可行性以及其优势;其次根据该算法的特点,构建了待优控制量功角、滚转角的区间解析表达式,以及给出了约束条件的处理方法。最后分析并解决了该算法在再入轨迹优化中应用的其余关键问题。仿真结果表明,该算法能够保证在再入轨迹优化中找到全局最优解,相比于其他优化算法具有某些优势。

弹道式再入航天器的烧蚀防热结构设计

介绍弹道式再入航天器烧蚀防热结构设计,文中说明了方案、材料选择、设计和分析计算。最后评价了这种防热结构。

充气式再入航天器总体方案及关键技术初探

充气式再入航天器是一种新型的再入航天器,可实现载人航天和行星探测任务中的行星大气再入,具有系统简单、质量小、气动加热低和可适应不同外形的再入载荷等优点。文章介绍了充气式再入航天器的国际发展现状,并对充气式再入航天器的总体方案进行了初步分析。参考俄罗斯的充气再入与降落技术(inflatable re-entry and descent technology,IRDT)设计先例,提出了充气式再入航天器的构型方案,并针对该构型进行了基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的气动力和热仿真分析。计算采用了迎风格式的层流模型,基于密度进行求解。文章还基于国际空间站的运行轨道,开展了再入轨道的设计,最后对再入气动特性分析、柔性热防护材料、布局与折叠包装和充气机构设计等关键技术提出了初步建议。

基于MISQP的再入航天器质量特性配平设计

为解决某再入航天器质量特性配平过程中质量、质心、惯性矩及惯性积等多个约束条件相互耦合的问题,文章建立了再入航天器配平设计优化问题的数学模型,采用基于混合整数序列二次规划(MISQP)的优化方法获得配平设计最优解,以最小的配平用量同时满足了质心位置、惯性矩和惯性积等复杂质量特性的约束,并与测试结果进行了对比,结果表明设计值与实测值基本一致。文章提出的配平设计方法可为各类航天器的配平布局优化提供借鉴。

充气式再入航天器热分析

充气式再入航天器是一种新型的用于空间站与地面之间进行物质运输的工具,也可以被用在登陆器结构上.其相关研究由美国率先开展,之后俄罗斯与欧洲也相继进入此领域进行研究.我国也开始了相关的技术研究攻关,本文结合充气式再入航天器的特点,对于其热分析思路法和方法进行了研究.

DLR与斯坦福合作研究航天器再入大气时通信技术

近期,德国宇航中心（DLR）与斯坦福大学科学家针对航天器再入大气层时产生通信＂黑障＂的问题展开了联合研究,将通过电弧加热的风洞试验来评估解决该问题的方法。＂黑障＂的产生是由于航天器再入时与大气摩擦生热在航天器周围形成了等离子层,阻断了无线电信号,进而影响飞行通信。

NASA兰利研究中心为再入航天器热防护系统研制填充材料

2017年6月1日,据美国TechBrief网站报道,NASA＂猎户座＂新一代载人太空飞船的热防护备选方案之一是采用酚醛浸渍碳烧蚀体（PICA）材料,通过分块拼接的方式贴在航天器外表面。但由于其具有一定的脆性,为了避免由于热膨胀和机械作用引起PICA材料的失效,在拼接PICA块的过程中往往需要留出一定宽度的缝隙。

航天器再入复用的新途径:高超音速充气热盾技术

Dragon C12飞船已于2月19日从卡纳维拉尔角发射升空,Dragon/龙式飞船既具有上行运输加压和非加压货物的能力,更重要的是它还具有下行运输货物的能力。龙式飞船在货运飞船中独具一格的返回舱带来了下行能力,但代价也不小。美国航天局曾提出另外的途径,也就是充气展开热盾技术.