新一代载人飞船试验船返回舱高精度落点解密

5月8日，中国新一代载人飞船返回舱成功返回地球，着陆点精度达到新高，比神舟飞船高一个数量级。中国载人航天工程飞船系统的总设计师张柏楠在一次采访中证实，放置精度“超过了我们的预期，10.8环”。

有0.8个环超过10个环。为什么有这么高的精度？这是因为，除了精确导航之外，新一代航天器还配备了在中国独一无二、不同于国内外着陆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。

“降落伞打开点”决定着陆点的准确性。

与直觉理解不同，飞船返回舱的着陆点精度并不主要取决于降落伞，因为飞船使用的降落伞是“不受控制的降落伞”，会随风漂移。决定着陆点准确性的实际上是“降落伞打开点”，即返回舱在返回舱过程中降落伞打开时的空间位置。

中国航天科技集团第五研究院502所载人飞船系统副总设计师胡军表示，传统的飞船着陆点控制采用名义弹道制导方法，只根据当前运动状态与名义弹道的差异计算制导修正量。

航天器再入舱着陆点控制全数字全系数自适应预测校正制导由多项技术组成，包括自适应全数字轨迹预测技术、时变动态控制增益变换技术、一阶特征模型自适应控制技术、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、约束预测和制导处理技术。

胡军介绍，全数字全系数自适应预测校正制导是一种全局制导方法，具有智能等特点。，更灵活，能应付更复杂的情况，并更平稳、更精确地控制飞船返回舱。

也就是说，该方法可以根据返回舱的飞行状态和当前的制导策略，预测到达目的地时的误差，并根据飞行过程中的误差和过载等约束条件自主计算下一次的制导策略，从而反复控制航天器到达目标点。

同时，自适应预测校正制导技术控制路段的终点是降落伞张开点。飞船返航前，降落伞开发者根据返航时气象部门预测的风速和风向，计算降落伞在下降过程中的漂移距离和方向，并相应调整理论开伞点。例如，当东风吹来时，开放点向东移动，当南风吹来时，它向南移动，因此最终的着陆点可以最接近理论着陆点。

太空船很难控制。

胡军说，由自适应预测校正制导技术支持的GNC系统，即制导导航和控制系统，决定了航天器的着陆精度。事实上，航天器从火箭起飞到返回舱再到降落伞打开点的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，“引导”负责提供到达“降落伞打开点”的方法，“控制”负责实施。

虽然技术思路很清楚，但实际上航天器控制要困难得多。首先，航天器在飞行过程中存在许多大的偏差，如返回舱的初始位置、速度和姿态偏差，气动系数、发动机推力、返回舱质量等动态偏差和控制偏差，以及大气密度等环境偏差，给航天器控制带来很大困难。

其次，有效控制时间短。新一代飞船返回舱速度从9000米/秒降低到150米/秒，高度从120公里降低到8公里。时间只有350秒，而且过程中的动力学是复杂的。

此外，胶囊的构造也决定了其有限的控制能力。由于空气动力升力的大小无法调节，因此只能通过在此过程中沿不同方向倾斜返回舱来调节空气动力升力在空间的方向，从而控制返回舱的纵向范围和横向范围。

三代人的科研结晶

据了解，这一理论和方法是胡军团队的原创成果，也是二十多年三代理论研究和工程实践相结合的结果。

这是这项技术的第二次应用。第一次应用是在2014年，当时嫦娥五号飞行试验飞行器每月返回跳跃再入。该技术用于测试车的精确控制。当时，降落伞打开点的精度超出想象，达到了迄今为止世界上航天器形状的航天器再入返回时降落伞打开点的最高精度。这也是全数字预测校正制导方法在世界上的首次成功应用。

连续成功的工程实践验证了该理论和方法对不同任务的适应性。目前，该技术既能满足远程跳跃再入的要求，又能满足近程直接再入的要求。这证明了该方法的理论先进性和工程实用性，也证明了该方法的高度自主性和灵活性。

据悉，502研究所还对各种自适应预测校正指导案例进行了进一步的理论分析和深入研究。结果表明，该方法不仅适用于月球返回跳跃再入和地球轨道直接再入，还适用于火星进入和火星大气捕获、大型升力体初始再入、末端能量管理、水平进场着陆、高超声速飞行器发射段和再入段制导等。它具有普遍性和统一性。

502研究所相关负责人表示，研究所将继续支持团队开展相关技术研究，使航天器控制技术的研究和应用进一步向智能化、自主化方向发展。