一种载人飞船自主应急返回模式设计

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1、第l8卷第3期载人航天Vo1．18No．32012年5月MannedSpaceflight25一种载人飞船自主应急返回模式设计张治国，刘新建，闫野(1中国空间技术研究院，北京100094；2国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要当在轨道运行段发生严重故障时，载人飞船应具备及时应急返回地面的能力。交会对接任务中，栽人飞船多次变轨，传统的由地面生成返回控制参数并注入航天器的方法难以适应任务急需，为此提出船上自主计算的自主应急返回设计，以适应交会对接任务的需求。载人飞船接收一段时间的轨道测量信息后，通过简化的平根数算法，进行轨道确

2、定和预报。通过对未来一段时间载人飞船经过落区的情况进行判断，选择可用于应急返回的落区。返回参数和落点经纬度通过经神经网络训练后的计算模块计算得出。关键词载人航天；自主；应急返回；返回参数中图分类号：V412．4+1文献标识码：A文章编号：1674-5825(2012)03-0025--06与目标航天器的初始相位关系不同，变轨内容变化1引言较大。如果交会对接过程出现与轨道相关的故障导致载人航天区别于其它航天任务的一个重要特点需要应急返回，则发生故障后飞船可能处于某种非预是，它需要在飞行任务的全过程采取安全措施确保期的轨道状态。因此，采用地面计

3、算和注入的方式受航天员的生命安全。上升段，可以采用逃逸飞行器或到了定轨时间和注入测控条件的约束，存在地面不能者是弹射座椅的方式进行逃逸救生[”，而运行段则需及时注入新参数的问题，需要新的设计方案圆。根据要载人飞船能够在故障发生后具备快速返回地面的上述交会对接飞行任务的新特点，本文设计了飞船能力。为此，除了飞船各系统合理安排飞行程序、紧自主定轨、预报的应急返回模式，该模式的主要特点密配合工作之外，重要的技术处理就是迅速获取当是应急返回相关的计算都由飞船完成。只要具备天前轨道信息，并预报未来一段时间内的轨道，计算出基测控网的支持，并且飞船具备天

4、基测量信息接收飞船未来经过事先选定的应急落区，以及返回选定装置，就可以在航天员启动自主应急返回能力算法落区所需要的返回控制参数(如制动时刻、制动速度后，完成返回落区与制动参数计算，并将相应参数填等)，飞船就可以按照设定的程序实施应急返回。如人事先设计好的返回飞行程序，在无地面干预的情果飞船轨道变化不大，或者故障发生前地面有充足况下，飞船即可安全返回地面。的时间定轨，并将轨道信息和经过应急落区的信息2飞船自主应急返回模式设计送飞船，那么可以采用为飞船提前注人返回控制参数的方式。自主应急返回主要可以分为轨道预报、落点选地面注人参数的方式，使得飞

5、船应急返回对地择、制动速度修正三部分。面测控的依赖较大，不具备真正的自主性。尤其在执2．1轨道预报行交会对接任务时，一般需要经历多次变轨，且根据传统的轨道确定系统通常是采用地基观测的，收稿日期：2011-08—05；修回日期：2011—12—12作者简介：张治国(1979一)，男，博士，工程师，主要从事航天器总体设计工作。E—mail：zzg7979@126．12ore载人航天第18卷但每个地面站所能获得的测控弧段很短；对于一个地为半长轴、i为轨道倾角、Q为升交点赤经、e为偏心面站，可能是在飞船飞行若干圈后才能观测到。因率、(￡)为近地点幅

6、角、M为平近点角。此，若要达到较高的定轨精度，需要数目多、分布广将地球半径R作为长度计量单位，将地心距为的地面站支持，或者需要经过若干测控圈次之后才R的圆轨道绕地球1弧度的时间作为时间计量单位能完成，显然不能满足应急救生快速反应的要求。￡(806．8110649s)。对J2000坐标系下轨道数据进行采用天基测量平台确定航天器的轨道将是未来归一化处理并转化为归一化的轨道根数。由各时刻的发展趋势嘲。天基测量信息获取的便捷性，以及对的归一化瞬时根数，可以求取对应时刻的归一化平航天器信息的综合利用，是实现天基测量平台定轨、根数。可以近似认为瞬时根数

7、去除掉一阶短周期项预报的有利条件。后就得到平根数。从解微分方程的角度来看，轨道计算就是将一定轨和预报时，只考虑地球J2项非球形摄动和个常微分方程初值问题转化为边值问题(观测值即大气阻力影响。应用平根数时，对于地球非球形摄动“边值”)，由边值条件反过来确定初值(轨道)(即“打J2项，只须考虑一阶短周期项和一阶长期项。考虑大靶法”)，涉及到了求代数方程的解。当然，计算过程气阻力时的t时刻瞬时根数与初始时刻平根数关系中还要用到大量观测资料的统计特性，而不是简单式为：的将一个初值问题转化为边值问题来求解，这又将lⅡ(￡)=00+as1(t)+Aa涉

8、及到最优估计问题，因此也叫统计定轨。如采用上述精密定轨方法，需要积累较多的澳0量数据，因此必J()=0+l()须采用新的简化算法。fQ()=+Q·(一)+(￡)本文设计的定轨及预