2022年 第9卷 第5期
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2022, 9(5): 457-469.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220021
摘要:
讨论了重复使用运载器的不同回收方式，分析了不同回收方式的特点，阐述了技术挑战及发展趋势。具体为：针对不同回收方式，先后讨论了垂直起降、伞降回收和水平起降这3种模式的关键技术；在垂直起降方面，重点分析了发动机节流、多次起动和着陆缓冲机构这3类关键技术；在伞降回收方面，重点介绍了基于翼伞的火箭残骸落区控制和空中回收技术。对于基于火箭动力的水平起降，从复杂气动力热环境下相关机理研究、热防护、着陆机构、制导与控制共5个方面对存在的难题进行了分析；最后对3种模式的特点进行了总结和对比分析。
讨论了重复使用运载器的不同回收方式，分析了不同回收方式的特点，阐述了技术挑战及发展趋势。具体为：针对不同回收方式，先后讨论了垂直起降、伞降回收和水平起降这3种模式的关键技术；在垂直起降方面，重点分析了发动机节流、多次起动和着陆缓冲机构这3类关键技术；在伞降回收方面，重点介绍了基于翼伞的火箭残骸落区控制和空中回收技术。对于基于火箭动力的水平起降，从复杂气动力热环境下相关机理研究、热防护、着陆机构、制导与控制共5个方面对存在的难题进行了分析；最后对3种模式的特点进行了总结和对比分析。
2022, 9(5): 470-476.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210110
摘要:
针对运载火箭垂直返回着陆机构方案进行研究，用图论分析、拓扑分析等方法，对不同着陆机构设计方案进行了对比分析，开展着陆机构构型方案优选。以高可靠性为目标，确定了单闭环链的机构方案；以高效率为目标，确定了相关运动副选择方案；兼顾考虑机构能源简化性等因素，提出了一种基于榫锁锁定形式的新式着陆机构设计方案。研究成果可为重复使用运载火箭垂直返回着陆机构研制提供方案参考和技术支持。
针对运载火箭垂直返回着陆机构方案进行研究，用图论分析、拓扑分析等方法，对不同着陆机构设计方案进行了对比分析，开展着陆机构构型方案优选。以高可靠性为目标，确定了单闭环链的机构方案；以高效率为目标，确定了相关运动副选择方案；兼顾考虑机构能源简化性等因素，提出了一种基于榫锁锁定形式的新式着陆机构设计方案。研究成果可为重复使用运载火箭垂直返回着陆机构研制提供方案参考和技术支持。
2022, 9(5): 477-482.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210109
摘要:
不同于目前可重复使用运载火箭着陆腿回收方案，提出一种基于地面拦阻原理的火箭垂直着陆回收机构方案，在火箭垂直着陆下降过程中，利用地面拦阻索和阻尼器的综合作用实现火箭制动回收。通过仿真分析和原理样机验证，在落点正常、水平偏置和旋转状态下，地面拦阻机构均能实现对运载火箭的拦阻回收，火箭结构承受的过载和冲击较小，姿态稳定。研究表明，拦阻回收机构能够实现箭体安全可控回收。
不同于目前可重复使用运载火箭着陆腿回收方案，提出一种基于地面拦阻原理的火箭垂直着陆回收机构方案，在火箭垂直着陆下降过程中，利用地面拦阻索和阻尼器的综合作用实现火箭制动回收。通过仿真分析和原理样机验证，在落点正常、水平偏置和旋转状态下，地面拦阻机构均能实现对运载火箭的拦阻回收，火箭结构承受的过载和冲击较小，姿态稳定。研究表明，拦阻回收机构能够实现箭体安全可控回收。
2022, 9(5): 483-491.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210152
摘要:
针对基于栅格舵和滑翔翼的两种垂直起降火箭一子级再入返回段的气动特性进行了仿真分析，得到了两种构型一子级的气动特性，分析了其流动结构特征，并研究了气动特性随马赫数（Ma）和攻角的变化规律。结果显示：基于栅格舵构型的一子级轴向力系数和法向力系数随马赫数先增大后减小；基于滑翔翼构型的一子级在小攻角下轴向力系数和法向力系数在马赫数大于2后随马赫数增大而逐渐减小。通过对比可知，基于栅格舵构型一子级的静稳定性优于滑翔翼构型一子级，更适合于需要精确控制落点的重复使用任务；基于滑翔翼构型一子级的升阻比高于栅格舵构型，更适合于需要远距离滑翔的重复使用任务。
针对基于栅格舵和滑翔翼的两种垂直起降火箭一子级再入返回段的气动特性进行了仿真分析，得到了两种构型一子级的气动特性，分析了其流动结构特征，并研究了气动特性随马赫数（Ma）和攻角的变化规律。结果显示：基于栅格舵构型的一子级轴向力系数和法向力系数随马赫数先增大后减小；基于滑翔翼构型的一子级在小攻角下轴向力系数和法向力系数在马赫数大于2后随马赫数增大而逐渐减小。通过对比可知，基于栅格舵构型一子级的静稳定性优于滑翔翼构型一子级，更适合于需要精确控制落点的重复使用任务；基于滑翔翼构型一子级的升阻比高于栅格舵构型，更适合于需要远距离滑翔的重复使用任务。
2022, 9(5): 492-497.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210116
摘要:
针对返回式火箭垂直着陆回收任务中的控制难点，全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件，提出了一种针对垂直着陆段的高精度姿态控制方案，包括：适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计、增益非线性平滑调度以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明：1）该方法具备了工程实现性强、模型适用范围广的实用特点； 2）采用所提出的控制方案相比传统仅采用姿态主网络控制方案的控制精度有较大程度的提升，特别在支腿展开稳定过程中控制精度提高接近80%，控制精度提升效果显著，可以满足设计需求。
针对返回式火箭垂直着陆回收任务中的控制难点，全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件，提出了一种针对垂直着陆段的高精度姿态控制方案，包括：适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计、增益非线性平滑调度以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明：1）该方法具备了工程实现性强、模型适用范围广的实用特点； 2）采用所提出的控制方案相比传统仅采用姿态主网络控制方案的控制精度有较大程度的提升，特别在支腿展开稳定过程中控制精度提高接近80%，控制精度提升效果显著，可以满足设计需求。
2022, 9(5): 498-505.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220035
摘要:
针对传统可靠性评估需要大量验证子样的问题，开展了重复使用液体火箭发动机可靠性评估方法的研究。分析了重复使用液体火箭发动机点火启动瞬态过程特点和失效模式，在此基础上，将发动机点火启动瞬态过程视作点火器顺利点火和启动瞬态过程两个独立的过程，并分别采用最大熵法和正态容许限法进行评估；同时，应用所研究的可靠性评估方法，分析了不同首次任务上升段可靠度要求和寿命形状参数对试车总时间的影响，以及可靠度随重复使用次数的变化规律。结果表明：所提评估方法能够用较少的试验次数获得较高的可靠性评估结果；随着可靠度要求的提高，发动机总试车时间大幅增加；提高寿命形状参数，在相同可靠度要求下，可大幅减少发动机总试车时间；在相同首次任务可靠度要求下，随着重复使用次数的增加，发动机可靠度逐渐减小。
针对传统可靠性评估需要大量验证子样的问题，开展了重复使用液体火箭发动机可靠性评估方法的研究。分析了重复使用液体火箭发动机点火启动瞬态过程特点和失效模式，在此基础上，将发动机点火启动瞬态过程视作点火器顺利点火和启动瞬态过程两个独立的过程，并分别采用最大熵法和正态容许限法进行评估；同时，应用所研究的可靠性评估方法，分析了不同首次任务上升段可靠度要求和寿命形状参数对试车总时间的影响，以及可靠度随重复使用次数的变化规律。结果表明：所提评估方法能够用较少的试验次数获得较高的可靠性评估结果；随着可靠度要求的提高，发动机总试车时间大幅增加；提高寿命形状参数，在相同可靠度要求下，可大幅减少发动机总试车时间；在相同首次任务可靠度要求下，随着重复使用次数的增加，发动机可靠度逐渐减小。
2022, 9(5): 506-511.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210144
摘要:
针对重复使用运载火箭发动机的原始疲劳载荷数据建模困难问题，选取均方根值作为重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据工况划分的标准，通过对重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据进行修正短时傅里叶变换滤波处理、雨流循环计数和疲劳载荷特征量高斯分布拟合，实现疲劳载荷数据特性量的识别与规律化处理。研究表明，重复使用运载火箭疲劳载荷数据能用高斯分布模型进行概率分布描述，异常疲劳载荷数据高斯分布参数为正常疲劳载荷数据的3倍以上。该方法可用于精确识别重复使用运载火箭发动机异常疲劳载荷数据，相比于传统异常数据识别方法，可提供异常程度量化指标，为重复使用运载火箭疲劳载荷设计与实时故障分析定位提供一种新的分析手段。
针对重复使用运载火箭发动机的原始疲劳载荷数据建模困难问题，选取均方根值作为重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据工况划分的标准，通过对重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据进行修正短时傅里叶变换滤波处理、雨流循环计数和疲劳载荷特征量高斯分布拟合，实现疲劳载荷数据特性量的识别与规律化处理。研究表明，重复使用运载火箭疲劳载荷数据能用高斯分布模型进行概率分布描述，异常疲劳载荷数据高斯分布参数为正常疲劳载荷数据的3倍以上。该方法可用于精确识别重复使用运载火箭发动机异常疲劳载荷数据，相比于传统异常数据识别方法，可提供异常程度量化指标，为重复使用运载火箭疲劳载荷设计与实时故障分析定位提供一种新的分析手段。
2022, 9(5): 512-520.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210146
摘要:
通过多方案对比分析，提出了一种采用水平姿态垂直着陆的重复使用氢氧动力单级月面着陆与上升飞行器方案，并针对飞行器制动段推进剂消耗量较大、精度低的问题，提出单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法，进行了凸优化问题建模及仿真、影响因子分析。研究结果表明，所提单级月面着陆与上升飞行器方案系统简单可靠，可以适应新一代载人运载火箭运载能力要求；所提单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法应用在水平姿态垂直着陆制动段具有较好的任务适应性，可在满足着陆姿态、位置精度等多约束下获得推进剂消耗量优化结果。重复使用单级氢氧月面着陆与上升器方案应用到环月轨道与月面往返的重复使用运载任务中，可拓展提供轨道间运输+月球表面运输的一体化运载工具，工程效费比高，为未来大规模地月空间探索与开发提供全新的运输系统解决思路。
通过多方案对比分析，提出了一种采用水平姿态垂直着陆的重复使用氢氧动力单级月面着陆与上升飞行器方案，并针对飞行器制动段推进剂消耗量较大、精度低的问题，提出单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法，进行了凸优化问题建模及仿真、影响因子分析。研究结果表明，所提单级月面着陆与上升飞行器方案系统简单可靠，可以适应新一代载人运载火箭运载能力要求；所提单级月面着陆与上升飞行器凸优化制导方法应用在水平姿态垂直着陆制动段具有较好的任务适应性，可在满足着陆姿态、位置精度等多约束下获得推进剂消耗量优化结果。重复使用单级氢氧月面着陆与上升器方案应用到环月轨道与月面往返的重复使用运载任务中，可拓展提供轨道间运输+月球表面运输的一体化运载工具，工程效费比高，为未来大规模地月空间探索与开发提供全新的运输系统解决思路。
2022, 9(5): 521-531.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220028
摘要:
月球史密斯海（Mare Smythii）位于月球正面与背面的交界处，具有丰富的地质单元和科学价值。结合SLDEM 2015高程数据、克莱门汀紫外/可见光数据、“月神1号”（Selene-1）多波段成像仪数据和“嫦娥二号”（Chang’E-2, CE-2）微波辐射计数据，对史密斯海的地质、地形、物质成分和微波热辐射等特征进行了系统分析。在此基础上，从科研、资源和能源的角度，建议建立以（88oE，1oN）为中心的月球长期科研站；最后，结合月表地形特征设计了3条巡视路线，初步确定和规划了14个以月球科学和资源利用为目标的值得探测的考察点并分析了其科学价值。论文的研究结果对我国未来建设长期运行的月球科研站具有重要的参考价值。
月球史密斯海（Mare Smythii）位于月球正面与背面的交界处，具有丰富的地质单元和科学价值。结合SLDEM 2015高程数据、克莱门汀紫外/可见光数据、“月神1号”（Selene-1）多波段成像仪数据和“嫦娥二号”（Chang’E-2, CE-2）微波辐射计数据，对史密斯海的地质、地形、物质成分和微波热辐射等特征进行了系统分析。在此基础上，从科研、资源和能源的角度，建议建立以（88oE，1oN）为中心的月球长期科研站；最后，结合月表地形特征设计了3条巡视路线，初步确定和规划了14个以月球科学和资源利用为目标的值得探测的考察点并分析了其科学价值。论文的研究结果对我国未来建设长期运行的月球科研站具有重要的参考价值。
2022, 9(5): 532-541.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220017
摘要:
针对太阳系空间的航天器轨道计算与应用需求，定位于科学研究与工程试验，研发了太阳系多星精密定轨及数据分析软件（MODAS）。描述了软件的设计与实现，包括数据组织管理、基础服务、观测数据类型、参数解算处理；详细介绍了软件实现的特点，通过对月球、火星、木星及小行星探测数据的处理与比较，验证了软件的功能及精度；对软件下一步发展进行了分析展望。验证结果表明，该软件可应用于多天体、多探测器的联合定轨计算，并可拓展应用于行星科学的研究。
针对太阳系空间的航天器轨道计算与应用需求，定位于科学研究与工程试验，研发了太阳系多星精密定轨及数据分析软件（MODAS）。描述了软件的设计与实现，包括数据组织管理、基础服务、观测数据类型、参数解算处理；详细介绍了软件实现的特点，通过对月球、火星、木星及小行星探测数据的处理与比较，验证了软件的功能及精度；对软件下一步发展进行了分析展望。验证结果表明，该软件可应用于多天体、多探测器的联合定轨计算，并可拓展应用于行星科学的研究。
2022, 9(5): 542-550.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220012
摘要:
针对多通道探测，体积、质量要求严苛，光路在空间中交叉折叠，反射镜数量多，易发生干涉的复杂光机系统中铝反射镜结构设计和轻量化需求，提出了一种新型空间光谱仪用异形轻量化铝反射镜结构设计方法，包括材料选择、构型设计、装配变形卸载方式、轻量化设计方法、表面镀层、测试和检测等关键技术。对某空间光谱仪的研制和测试验证表明，利用本文方法设计的所有铝镜均能满足系统性能要求，且轻量化率均优于50%。本文方法可适用于涉及铝反射镜的多种类型空间光机系统，可为其中铝反射镜设计和紧凑化光机系统设计提供参考。
针对多通道探测，体积、质量要求严苛，光路在空间中交叉折叠，反射镜数量多，易发生干涉的复杂光机系统中铝反射镜结构设计和轻量化需求，提出了一种新型空间光谱仪用异形轻量化铝反射镜结构设计方法，包括材料选择、构型设计、装配变形卸载方式、轻量化设计方法、表面镀层、测试和检测等关键技术。对某空间光谱仪的研制和测试验证表明，利用本文方法设计的所有铝镜均能满足系统性能要求，且轻量化率均优于50%。本文方法可适用于涉及铝反射镜的多种类型空间光机系统，可为其中铝反射镜设计和紧凑化光机系统设计提供参考。
