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航天科技:揭秘新一代载人飞船试验船返回舱为何命中“10.8环”

文章来源:中国航天科技集团有限公司  发布时间:2020-05-21

比10环多0.8环,威尼斯人官网新一代载人飞船试验船返回舱为何落点精度奇高?

威尼斯人官网新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆 汪江波 摄

5月8日13时49分,威尼斯人官网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了一个数量级。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”。为什么会有如此高的精度,比10环还要多出0.8环呢?

因为除导航准确外,此次还装备了一项中国独创技术——全数字全系数自适应预测校正制导。

全数字全系数自适应预测校正制导有何特点?如何工作?

据这一方法的主要发明人、中国航天科技集团有限公司五院502所的载人飞船系统副总设计师胡军介绍,“与标称轨迹制导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相比,全数字全系数自适应预测校正制导是全局性制导,具有智能化的特点,更加灵活,能应对更加复杂的情况,控制更平稳,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,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。

开伞点决定落点精度 “自适应预测校正制导”控制开伞点

和我们的直观认识不同,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”,是会随风漂移的。主要决定落点精度的其实是“开伞点”,就是返回过程中打开降落伞时,返回舱所处的空间位置。

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。

所以,决定落点精度的,就是一路风驰电掣、电光火石间,直接驾驶飞船的自适应预测校正制导技术支持下的GNC系统(制导导航与控制系统)。

返回前,GNC系统怎样“驾驶飞船”?

其实,从飞船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。听起来逻辑清晰,但实际难度要大得多。

首先,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。

其次,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。

再次,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。

自适应预测校正制导技术的前世今生

此次是该技术的第二次应用。第一次是应用于2014年嫦娥五号飞行试验器月地返回跳跃式再入中,当时的开伞点精度之高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,也是世界上首次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的适应性,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。

该理论与方法是胡军团队,包括老一代吴宏鑫研究员,新一代杨鸣、董文强等,20余年三代人的理论研究和工程实践相结合的成果。

该研究和实践成果在世界上首次打通了预测制导和控制之间的隔阂,大大简化和降低了预测制导的应用门槛,无论在控制理论的发展还是在提升工程应用水平方面都具有典型意义,是对世界航天控制领域的一大贡献。

502所还对自适应预测校正制导作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。(图片除署名外为航天科技集团五院提供)

【责任编辑:龙静怡】

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