航天降落制導是指在降落著陸過程中引導航天按照預定的軌道降落著陸的技術和方法。航天降落制導方案的選擇與太空飛行器的結構、下降軌道的選取及最終著陸方案有著密切的聯繫。
基本介紹
- 中文名：航天降落制導
- 外文名：Guidancefor landing
- 同義詞：航天著陸制導
研究背景,階段,分類,
研究背景
自可復用太空飛行器和外星探測器的提出和實施以來，航天降落制導就一直是一個科研人員必須面對的問題。
20 世紀中期，馮布勞恩和錢學森就提出了可重複使用天地往返運輸系統（Resuable SpaceTransportation Systems）的概念。可重複使用運載器是指能夠穿越大氣層，自由往返於地球表面與太空之間，可以較長時間在空間軌道停留機動完成各種任務（發射衛星、在軌服務與技術支持、偵察、反衛、對地攻擊等），具有軍民兩用特點的多用途太空飛行器。通常重複使用運載器能夠像火箭一樣將有效載荷迅速送入空間中的軌道，在完成任務後又能夠像飛機一樣安全準確地返回地面基地，因此它是航天航空技術高度融合的結晶，是總體技術、氣動技術、推進技術、材料與結構技術、熱防護技術、控制技術、計算機技術以及運行維護使用技術等多技術領域的高度融合。重複使用運載器代表了新一代航天運載器未來的發展方向，為人類更加便捷、低廉的進入空間、更好地探索和利用空間提供了更加有效的運輸工具。
以火星探測器為例，初期的火星探測器往往側重於完成火星的繞飛任務，如前蘇聯的“火星號”探測器和美國的“水手號”(Mariner)探測器等有效完成了對火星的觀測，對人們認識火星起到了積極的推進作用。登入火星是進一步探測火星的氣候及地質特徵的重要基礎，如判定火星是否存在水資源甚至有機生命等。從 1975 年首次成功軟著陸的美國“海盜號”(Viking)系列探測器開始，世界各國開展了一系列火星登入活動，探索的難度也逐步增加，探索任務也更加具有針對性。為了得到更加有科學意義的數據，2011 年底發射的“火星科學實驗室”(Mars Science Laboratory, 簡記MSL)已經可以將火星探測車投遞到一個更加複雜和危險的火星表面，這給火星登入系統提出了極高的要求，也給新一代的探測器總體設計以及著陸系統提出了前所未有的挑戰。
為了滿足這些太空飛行器的降落著陸需求，航天降落制導技術應運而生。
階段
不論是可服用太空飛行器的降落制導，還是外星探測器的降落制導，大體都能分為進入、下降及著陸三個階段。
進入段的核心間題是如何耗散軌道器在再入時的巨大能量。除了在脫軌時控制軌道器使其部向前， 然後點燃發動機來消耗其能量外，主要是利用大氣阻力來耗散能量。大氣阻力的大小取決於再入角的大小，再入角過大，軌道器可能被燒毀。通常是通過攻角、側滑角和滾動角或者說控制軌道器的升阻比來控制軌道器的大氣阻力。進入大氣後，探測器將在大氣阻力的作用下減速，一直減速到降落傘可以安全打開的速度和高度。
下降段開始後探測器的降落傘打開，一直到反推發動機啟動。對於火星來說，由於火星的大氣較為稀薄，約相當於地球密度的 1%，為了確保最終探測器的軟著陸，降落傘需要在足夠的高度展開以進一步減速，同時也要參考著陸點的位置、探測器速度以及風向漂移等多種因素。
著陸段是指從反推發動機啟動直到最終成功接觸地面的階段。探測器的絕大多數動能可以在大氣的作用下有效被吸收，但尚不足以將其末端速度減小到安全著陸的範圍內，因此必須藉助探測器自身的反作用推力繼續減速。這取決於探測器進入大氣的角度、防護罩的形狀以及降落傘的大小。動力減速段的起始高度約為 2~5km 高度，速度約為 50m/s 量級，而此階段發動機必須將探測器速度進一步降低到零，從而完成高精度軟著陸任務。
分類
航天降落制導可以根據地面是否有輔助制導裝置大致分為兩類。
例如太空梭或可復用火箭這樣的重複使用運載器一般在地球表面降落，可以在地面布置輔助導航裝置來協助飛行器更好地規劃降落路徑及動作時間。
例如火星探測器等外星探測器在降落時則不具備上述條件，需要通過探測器上的各種感測器來幫助探測器尋找合適的降落場地並規劃相應降落制導方案。
