月球返回舱跳跃再入弹道特性分析与优化设计

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1、第42卷第1期2010年2月南京航JournalofNanjing空航天大学学报UniversityofAeronautics&AstronauticsV01．42No．1Feb．2010月球返回舱跳跃再入弹道特性分析与优化设计王银1陆宇平2张崇峰3(1．南京航空航天大学自动化学院，南京，210016；2．南京航空航天大学航天学院，南京，210016I3．上海航天技术研究院805研究所，上海，201108)摘要：对月球返回舱跳跃再入大气层的初始再入段弹道特性与过栽约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了疏跃再入的基本概念与优点，对不同再入角、

2、不同升阻比情况下初始再入段的弹道特性进行了分析。然后采用庞特里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标，对过戢约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计，给出了升力系数的最优表述式。仿真研究表明，该方法能有效地降低飞行过程中的过载。关键词；月球返回舱；跳跃再入；过裁约束；轨迹优化；两点边值问题中图分类号：V476．2文献标识码：A文章编号：1005—2615(2010)01—0021—04Skip-EntryTrajectoryCharacteristicAnalysisandOptimalDesignforLunarReturnVehicleW

3、angYinl，L“Yupin92，ZhangChongfen93(1．CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing，210016，China2．CollegeofAstronautics，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing，210016，China；3．Institute805，ShanghaiAcademyofSpaceflightTechnology，

4、Shanghai，201108，China)Abstract：Thetrajectorycharacteristicanalysisandoptimaldesignontheoverloadconstrainforskipen—trylunarreturnvehicleareanalyzed．Firstly，theconceptandtheadvantageoftheskipentryareintro—duced．Thetrajectorycharacteristicsofthefirstentryinaskipentryatdifferen

5、tlift-to—dragratiosandreentryanglesareanalyzed．Secondly，thetrajectoryisoptimizedbyapplyingthePontryaginmaximumprincipleontheperformanceoftheminimumheat，andtheoptimalexpressionoftheliftcoefficientisderived．Simulationsshowthatthemethodcandecreasetheoverload．Keywords：lunarretu

6、rnvehicle；skipentry；overloadconstraint；optimaldesign；two—pointboundaryvalueproblem我国在发展人造地球卫星和实施载人航天工程之后，适时开展了以月球探测为主的深空探测，计划于2020年前在月面上软着陆，采集月球样品返回地球。月球返回舱再人大气层时速度高达11km／s，所具有的动能约为近地轨道飞行器的两倍。如果采用直接再人的方式飞行器承受的过载将高达179，远高于NASA宇航员安全标准中的最高值79[卜纠。而采用跳跃再人方式则能有效地降低最大过载。跳跃式再入是指航天器

7、以较小的再入角再人大气层后，依靠升力，冲出大气层，作一段弹道式飞行，然后再再人大气层的再人方式[3】。国外学者对星际飞行器跳跃再入进行了一系列的研究n-8]，但是对于过载约束下的最优跳跃再入轨迹研究得很少。飞行器最终再入段的再入情况类似于近地轨道飞行器再人大气层。国内外学者对于近地轨道返回式飞行器的再入已经做了大量的研究。对于无动力再人飞行器，必须确保飞行器跳出点的速度小于第一宇宙速度。因此本文首先对跳跃再入初始再入段进行弹道特性分析，为飞行器初步设计提供升阻比和再入角的选择依据。然后对过载约束下的跳跃再入轨道进行优化设计，得到最优控收稿日期

8、：2009—01—16；修订日期：2009．04—15作者简介：王银，男，博士研究生，1982年7月生；陆字平(联系人)，男．教授，博士生导师，E—mail：ypl