作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/13 23:28:33
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新一代载人飞船试验船返回舱高精度落点解密

 

5月8日,我国新一代载人飞船试验船返回舱成功返回地球,落点精度再创新高,比以往神舟飞船返回落点精度提升一个数量级。据中国载人航天工程飞船系统总设计师张柏楠在接受采访时证实,落点精度“超出了我们的预期,10.8环”。

比10环还要多出0.8环,为何会有如此高精度呢?这是因为除导航准确外,新一代飞船还装备了一项中国独创且异于国内外落点控制方法的原创技术——全数字全系数自适应预测校正制导。

“开伞点”决定落点精度

与直观认识不同,飞船返回舱的落点精度不主要取决于降落伞,因为飞船使用的降落伞属“无控伞”,会随风漂移;决定落点精度的其实是“开伞点”,即返回过程中打开降落伞时返回舱所处的空间位置。

中国航天科技集团五院502所的载人飞船系统副总设计师胡军介绍,传统的飞船落点控制采用标称轨迹制导方法,该方法只根据当前运动状态与标称轨迹的差求取制导修正量。

此次飞船返回舱控制落点的全数字全系数自适应预测校正制导,由多项技术构成,包括自适应全数值轨迹预测技术、时变动态控制增益变换技术、一阶特征模型的自适应控制技术、自适应预测双环制导技术、内环标称轨迹自适应纵向和横向制导技术,以及约束预判与制导处理技术等。

胡军介绍,全数字全系数自适应预测校正制导则是一种全局性制导方法,具有智能化等特点,且更加灵活,能应对更加复杂的情况,控制飞船返回舱更平稳,精度也更高。

也就是说,这种方法能够根据返回舱的飞行状态及当前的制导策略,预报飞到终点时的误差,根据这个误差及飞行过程中的过载等约束条件,自主计算下一次的制导策略,如此反复并将飞船控制到目标点。

同时,自适应预测校正制导技术所“管辖”路段的终点就是“开伞点”。在飞船返回前,由降落伞研制人员根据气象部门所预测的返回时的风速、风向,计算降落伞在下降过程中的漂移距离和方向,并据此对理论开伞点进行调整。比如刮东风就把开伞点向东移,刮南风就往南移,使得最终的落点能够最接近理论落点。

飞船控制难度大

胡军介绍,决定飞船落点精度的就是自适应预测校正制导技术支持下的GNC系统,即制导导航与控制系统;事实上,飞船从起飞离开火箭到返回舱到达开伞点,这整个飞行过程都是由GNC系统控制的。

返回时,GNC系统中的“导航”负责给出当前返回舱的位置、速度和空间方位,“制导”负责提供到达“开伞点”的方法,“控制”负责执行。

虽然技术思路清晰,但实际中飞船控制难度要大得多。首先是因为飞船飞行过程中偏差多、偏差大,比如返回舱的初始位置、速度、姿态偏差,气动力系数、发动机推力、返回舱质量等动力学和控制偏差,以及大气密度等环境偏差,都会给飞船控制带来巨大困难。

其次是有效控制时间短,新一代飞船返回舱速度从9000m/s降到150m/s、高度从120km降到8km开伞点,仅有350秒的时间,且过程中动力学复杂。

再有就是返回舱的构型也决定了其控制能力有限。由于气动升力大小不能调整,所以过程中只能利用返回舱往不同方向的倾斜,来调整气动升力在空间的指向,以此来控制返回舱纵向航程和横向航程。

三代人的科研结晶

据了解,该理论与方法是胡军团队的原创性成果,也是20余年三代人的理论研究和工程实践相结合的成果。

此次是该技术的第二次应用,第一次应用是在2014年,嫦娥五号飞行试验器月地返回跳跃式再入中,该技术用于试验器精度控制。当时的开伞点精度之高也超乎想象,达到了迄今为止国际上飞船外形航天器再入返回的最高开伞点精度,这也是世界上首次实现全数字预测校正制导方法的成功应用。

连续的工程成功实践,验证了这种理论与方法对不同任务要求下的适应性。目前,该技术不仅可以满足长航程的跳跃式再入,也可以满足短航程的直接再入,证明了该方法理论上的先进性、工程上的实用性,也证明了这种方法高度的自主性和灵活性。

据悉,502所还对自适应预测校正制导开展了进一步的理论分析和多种案例的深入研究,表明该方法不但适用于月地返回跳跃式再入、地球轨道直接式再入,还可应用于火星进入与火星大气捕获、大升力体初始再入、末端能量管理、水平进场着陆、高超声速飞行器发射段与再入段制导等,具有普适性和统一性。

502所相关负责人表示,研究所将持续支持团队开展有关技术研究,使航天器控制技术的研究与应用向智能自主方向深入迈进。

 
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