火星上升器入轨段自适应迭代制导方案设计

针对火星上升器入轨段的制导问题,设计了一种自适应迭代制导策略。为降低初始状态偏差和火星环境不确定性的影响,每个周期内在制导坐标系下迭代计算剩余飞行时间,求解出在上升器推力大小固定情况下满足目标点位置与速度矢量约束的最优控制角,进而实时修正飞行轨迹。仿真结果表明,相较于传统的开环制导方案,提出的方案显著地提升了制导精度,其中高度误差降低3个量级,最大速度误差降低至原开环制导的三分之一,入轨点轨道倾角和偏心率误差均满足基本工程需求,可作为未来火星上升器入轨段制导的一种可靠方案。

火星上升器发射技术综述

火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有非常重要的意义和科学价值。火星表面数十公里厚且不稳定的大气环境,使得将装有火星样品的上升器安全、稳定地从火星表面送至轨道器的任务十分具有挑战性。火星上升器发射技术是火星采样返回任务中的关键技术,关系到任务的成败。本文分析了国外火星上升器发射技术的发展现状,总结了已有各类发射方案的技术特点,以期为中国后续开展火星采样返回任务提供可参考的火星上升器发射技术方案。

固推约束下的火星表面起飞上升制导律设计

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑角的控制实现对标称轨迹的跟踪。为减少上升段末端偏差对无动力滑行段与标称轨迹间误差的影响,提出了一种通过调整倾侧角改变上升器所受气动力进而控制飞行轨迹的技术路线,并设计了相应的滑模制导律。另外,兼顾固推发动机的能量管理需求,针对入轨段设计了Lambert制导策略,并参考标称控制量对其进行修正,使得上升器能够在控制能力有限的情况下完成较高精度的入轨。最后,通过典型场景火星表面起飞上升全过程数值仿真验证了所设计策略的有效性和鲁棒性。

短钝锥上升器的超声速阻力特性仿真和优化

降低激波阻力是火星上升器气动优化的重要目标。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法,针对典型短钝锥上升器外形的超声速阻力特性开展研究,在长细比0.42的设计约束下,比较了13组母线外形的零升阻力,并讨论了纵向静、动稳定性。研究表明:在设计约束下,球鼻大且锥面平缓的钝头形状有低阻特性,原因是超声速气流在经过球鼻后连续膨胀减压,形成了球鼻处小范围的高压区和锥面处大范围的低压区,使整体阻力下降;短钝锥外形有较高静稳定性和呈现临界动稳定性。

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。

火星固体上升器最优推力条件及制导方法

两级固体上升器是大型火星样本回收计划中的重要组成部分,针对固体火星上升器在样品返回任务中的最优动力设计与耗尽关机多约束制导问题开展研究,提出了一种解析-数值融合的入轨段优化方法,最优解析方法为固体动力的优化设计提供理论依据,数值优化方法在理论最优解邻近进一步解决实际飞行中面临的耗尽关机制导问题。首先,为了分析与优化固体上升器最大载荷质量下的动力参数,基于庞特里亚金极大值原理构建了推力矢量方向的最优控制问题,推导出最优动力参数的新的必要条件来消去协态乘子矢量,进而获得了最优控制量的解析表达式。然后,针对上升器在实际飞行条件下面临的参数偏差及不确定性干扰,提出了一种融合最优解析解序列的二次型数值优化方法,该方法通过高效反向递归敏感度矩阵在线快速迭代计算出飞行指令,控制火星上升器在耗尽关机方式下高精度进入预定目标轨道。最后,推力矢量方向的最优解析表达式,通过与GPOPS优化方法的对比与分析,验证了在必要条件下的最优性与正确性,并给出了火星上升器的最优动力方案。数值仿真结果表明:在配置的参数偏差及不确定性干扰下,火星上升器采用所提的解析-数值融合优化方法,能够在耗尽关机方式下实现高精度入轨任务,具有一定的理论意义和工程应用价值。