载人登月再入段应急策略仿真分析

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1、Vo1．18No．4载人航天第18卷第4期52MannedSpaceflight2012年7月沈红新，彭祺擘，李海阳(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙710043)摘要在分析载人登月再入段应急飞行策略的基础上，对出现升力故障的弹道式应急飞行进行了仿真研究。建立了再入运动方程，通过设计再入角，对标称再入走廊及航程与应急再入走廊及航程进行了对比，对标称再入走廊设计和应急着陆场选择提出了一些有益结论。关键词载人登月；再入；应急策略；弹道式飞行中图分类号：V423．6文献标识码：A文章编号：1674-5825

2、(2O12)044)052-041引言2月球返回再入动力学建模安全性是载人登月任务的首要要求，而再人段2．1再入运动方程是关系到飞船回收和航天员搜救的关键阶段，因本文的再人问题考虑地球为旋转圆球的三自由此对再入应急飞行策略的研究很有意义。月球返度再入运动模型，且假设飞行器配平飞行，侧滑角为回再人大气层的初始速度可以达到第二宇宙速度零[11。其中位置参数在地心经纬坐标系中描述，即地心左右，相较于近地轨道再人，再人环境更为恶劣，距r、经度和纬度三个参数。速度参数由速度大小控制要求更高，所以一般采用升力飞行方式

3、控制、飞行路径角和航向角确定。飞行路径角是速再人过程，一方面满足过载和热环境约束，另一方度向量与当地水平面的夹角，向上为正。速度方位角面控制落点到预定位置。本文考虑了再人过程的是速度向量在当地水平面投影与正北方向的夹角，顺控制故障问题，对此故障的应急策略进行了建模时针旋转为正。运动参数在图1表示，图中O-XYZ为与仿真研究。地心固连坐标系，O-xyz为飞行器位置坐标系。当探月飞行器再人大气层以后如果出现故障，由上述参数表示的无动力三自由度再入运动方无法实施升力控制使返回舱落到预定场区，只能采程见文献。为提

4、高计算效率，将再人运动方程无量用弹道式返回。弹道式再人时，再入过载和最大热流纲化。引进变量，g，or，L，D，分别表示地球自转角剧烈增大，再人飞行时间和再入段航程则明显缩短，速度、引力加速度、倾侧角、升力和阻力。倾侧角or可以分为前弹道式返回和后弹道式返回。定义为向量￡和(r，)平面的夹角，沿飞行器运动方前弹道式返回是在再人大气层前决定采用弹道向观察，向右偏转为正。分别定义无量纲地心距，速式返回，再人点位置不变，通过调整再人角使得再人度、飞行时间和地球自转角速度Q为过载减小。后弹道式返回是在再人大气层后决

5、定采V。。，g0’Q。用弹道式返回，再入点位置和再人角已不能改变。不论是前弹道式应急还是后弹道式应急飞行，设计合代人无动力三自由度再入运动方程组得到无量纲适的应急再入角都非常关键。运动方程：收稿日期：2011-5—16；修回13期：2011-08—07作者简介：沈红新(1986一)，男，博士研究生，主要从事航天动力学系统分析与仿真研究。E—mail：shxnudt@163．com第4期沈红新等：载人登月再入段应急策略仿真分析53图1三自由度再入运动参数示意图真参数，其中弹道系数定义为m／()，变量含义i(

6、)见前表。仿真参数dOucosysin~O—d—：一一(2)rZCOS(~、‘。参数取值初始速度1lkm／s：婴(3)初始高度120kmdu=一D一曼+Q‘zcos咖(sinycos~b—cosysin~co)开伞高度1Okrad7-质量5500kg(4)弹道系数365kg／(m)盟dz=[PCOSO'-I-盟Z＼Z)／+2神sin’，l阻力系数1．2891+~2zcos6(。。c0s咖+siny。。ssin)](5)l最大过载7gt／q-=UJ堕+。inCtan+3．2仿真结果及分析cost‘表2给出了

7、对应不同升阻比条件下再人走廊-2(tanTCOSsinsins6sinej(6)的宽度。由表2可以看出，弹道式的再人走廊较窄，并在升力式走廊范围之内，所以在设计标准再，D分别为无量纲升力和阻力，表示为入角时，应该既满足升力式标准返回的走廊，又要=pV。SCJ(2mgo)兼顾应急弹道式的再入走廊，即取两者范围的交D=pV‘SCD／(2mgo)集部分。式中，P为大气密度，采用拟合公式计算圄。m为航天下面给出一组算例说明式应急再入轨道设计器质量，为地球表面引力加速度，为阻力系数，s问题，首先根据弹道式走廊结果选

8、择标准再人角为为迎风面积。表2不同升阻比条件的再入走廊2．2再入走廊和航程计算模型L，DO．2O．260-33O月球返回再人走廊根据再入角描述，再人角是再入走-6．4-6．5-6．7-5．8负值才能进入大气层，当再入角最小时，是最陡的再廊／(。)入轨道．当再入角最大时。是最浅的再入轨道求最max一5．1—5．05—4．95-5．4554载人航天第18卷一5．6。，既能满足弹道升力式再入走廊，又能满足应急当升阻比为0．26时，设