皮卫星星箭分离机构运动系统设计

为实现“皮星一号A”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星星箭分离机构运动系统进行了分析设计。首先,根据皮卫星与凸轮限位机构间的受力情况和能量守恒定理确定了凸轮轮廓尺寸和分离弹簧结构参数,在此基础上建立了星箭分离过程动力学模型,通过对动力学模型的数值计算确定满足无干涉分离条件的舱门扭簧弹性系数。星箭分离过程的仿真计算和试验校验了“皮星一号A”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速率均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

皮卫星分离参数优化

为实现“浙大皮星二号”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星分离机构进行了设计、理论分析及优化。通过对分离系统动力学特性分析,得出了影响该分离系统的关键因素,同时对星箭分离机构运动系统进行了优化,并进行了试验验证。仿真分析及试验结果表明：该设计能够完全满足分离机构分离速度和角速度要求,星箭分离过程的仿真分析和试验校验了“浙大皮星二号”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速度均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

深空探测采样返回起旋分离动力学仿真分析研究

针对深空探测采样返回高精度起旋分离,实现返回器再入大气姿态稳定的需求。在自主研发的被动式起旋分离机构的基础上,以多刚体系统动力学理论为基础,建立返回器起旋分离ADAMS动力学仿真分析模型,开展起旋分离过程综合敏度分析、敏感参数偏差耦合分析以及覆盖性分析研究,以此评估多参数偏差对返回器初始分离姿态的影响。分析结果表明：动力回转轴偏差和返回器横向质心偏差对返回器起旋分离姿态影响最为明显;合理配置动力回转轴及返回器横向质心位置有助于改善初始分离姿态;经多参数偏差覆盖性分析,验证了起旋分离各项指标的符合性。为深空探测采样再入返回高精度、高可靠分离技术的工程实施提供理论指导。     

多星与上面级非对称分离技术研究

对多星与上面级非对称分离技术进行了研究。针对上面级多星非对称分离存在较大偏心的特点,通过优化调整,使用不同大小弹簧力的匹配抵消上面级转动的影响,减小了因卫星相对上面级偏心布置导致的分离力对卫星和上面级姿态的干扰。根据总体偏差量的概率模型,用蒙特卡洛仿真法统计出卫星姿态角和角速度的概率分布规律。     

载荷—火箭分离导向机构参数设计及动力学分析

针对载荷—火箭分离中易碰撞以及载荷部姿态的问题,以多体系统动力学理论为基础,在ADAMS中建立了针对一种新型分离导向机构的载荷—火箭分离虚拟样机模型,分别就分离导向机构支柱刚度、高度、滚轮与载荷部之间预载对分离结果的影响进行了计算分析。结果表明：刚度与高度的取值越大,分离过程中的分离最小间隙就越大,越有利于火箭与载荷部的成功分离;预载主要影响载荷部的姿态。基于此结果,设计了一套分离导向机构的匹配参数,并结合姿态控制律,利用ADAMS与Simulink软件包进行联合仿真,校验了这套设计参数可以保证火箭与载荷部的正常分离,姿控系统可以纠正载荷部的姿态偏差。本文采用的研究方法以及所获得的结论对采用该形式分离导向装置的载荷—火箭分离问题具有普适性。     

应急救生时返回舱分离后的姿态运动研究

研究了低高度大气层内飞船应急返回时返回舱的姿态运动规律。返回舱分离后以非配平攻角飞行，大分离角速度和大气动力矩作用下其飞行姿态不稳定，必须利用自身的控制发动机和受到的气动力拒使其俯仰机动定位到大头朝前的姿态（呈配平飞行），仿真表明这需要一个较长的衰减振荡过程。一种通过实时调整质心位置以改变气动力矩大小，从而达到减小振幅、改善并缩短其振荡过程的方法被提出，它为宇航员承受过载和启动回收着陆系统创造了有利条件。     

大型整流罩分离动力学简化建模及仿真分析

为有效简化大型整流罩分离过程的数值分析工作,采用柔性多体动力学分析软件———ADAMS/Flex对大型整流罩结构进行了有限元建模简化技术研究,并在离散化简化模型的有效性验证基础上探讨了大型整流罩分离过程中质心运动、罩内可用空间包络及铰链力的变化规律;同时,对比分析了分离面解锁前因弹簧作用导致的整流罩初始装配弹性变形对整流罩分离动力学行为的影响。结果表明,给出的大型薄壁加筋整流罩结构的简化建模方法合理可行,可作为整流罩简化建模基本依据;忽略初始弹性变形的抛罩动力学分析可用作整流罩分离运动规律研究的基准工况;整流罩分离过程中的"呼吸运动"对柱段角点处影响最为严重,而越靠近罩体顶端其影响越小。     

火箭助推器从芯级飞行器动态分离过程的数值模拟

利用弹簧近似和网格重构相结合的非结构动网格技术，耦合求解Euler方程及弹道方程，时间方向采用四步Runge-Kutta方法，空间方向采用改进Barth和Jespersen限制器的通量分裂方法，数值模拟火箭助推器从芯级飞行器动态分离动力学过程。首先，计算单独芯级飞行器流场，与实验数据相比，符合较好；其次，计算火箭助推器和芯级飞行器组合体流场，得到分离前状态和气动力特性；在此基础上，比较采用弹簧和火箭作为控制力的两种分离方案，研究两侧火箭助推器分离不同步、攻角、侧滑角等因素的影响。研究表明，弹簧分离初期火箭助推器位移和姿态主要取决于弹簧控制力，弹簧全部断裂后气动力的影响加快姿态发散，在给定的设计参数条件下，可以实现安全分离；火箭分离存在复杂的喷流干扰，喷流对助推器的包裹作用使得分离初期自由来流影响较小；另外，分离过程对芯级飞行器的气动干扰不容忽视。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题，本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点，获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数，实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明：航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响，利用本方法进行误差分离后，LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64.9 μrad下降到误差分离(6条链路)后的21.1 μrad，有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。     

SST-LL重力测量卫星轨道分析

论述了SST-LL重力测量卫星科学任务对轨道寿命、地面覆盖性能、轨道高度单圈波动、星间距离变化范围的需求。根据需求,计算了轨道的自然衰减情况,得出轨道初始高度为500km;综合考虑地面覆盖要求及运载火箭能力,得出了最佳轨道倾角为89°;得出了0.002 0偏心率下轨道高度波动范围不超过50km;分析得出星间距离的长周期变化主要受大气阻力影响,初步确定了轨道控制方案,即定期对受大气阻力较大的卫星进行轨道机动。     

基于偏心率和倾角矢量的共位隔离策略

在同一个标准的位置保持窗口内并置多颗卫星,并且避免相互之间的碰撞、干扰和遮蔽,是充分利用地球静止轨道资源的一种比较好的办法。针对我国卫星共位隔离的工程需要,文章提出了一种基于偏心率矢量和倾角矢量实现共位隔离的方法,给出了基于偏心率矢量和倾角矢量联合隔离的基本方法、约束方程,以及工程实现时的位置保持策略。通过仿真计算和工程实际应用,验证了该方法的正确性。     

小偏心率低轨卫星的星历参数拟合法

研究了小偏心率低轨卫星参数拟合理论,数据来源于某星载GPS接收机定位数据。通过对小偏心率近地卫星的轨道根数进行频谱分析,建立了对应的数学模型,用采样数据对数学模型中的参数用最小二乘法进行估计。对算法进行了模拟仿真,结果表明,该方法简单有效,计算速度快,拟合和短时间（10min）预报误差在100m量级。     

组合体与飞船联合轨道维持

通过组合体与飞船联合轨道维持解决了组合体和飞船轨道多特征参数的控制问题。建立了升交点经度、轨道高度和偏心率的控制方程以及基于时间关联特性的升交点赤经和制动点高度耦合控制方程和偏心率保持的双冲量耦合控制方程。结合组合体与飞船的飞行特点,制定了组合体轨道维持实现升交点赤经和轨道偏心率以及飞船轨道维持实现制动点高度的联合控制策略。耦合控制方程使得组合体和飞船轨道维持的控制量分配合理,融合了各次控制之间存在的耦合影响,设计了联合轨道维持策略迭代计算流程。基于神舟九号交会对接飞行过程,通过多组仿真算例校验了组合体与飞船轨道多特征参数的联合优化控制,具有较好的工程应用价值。     

一种可实现星箭分离前后测轨数据联合定轨的初轨确定方法

针对弹簧分离方式的卫星发射任务中,在星箭分离瞬间卫星获得弹簧分离力产生的速度增量,使星箭分离前后的两段外测数据不能同时参与定轨的问题,提出了一种可同时求解一个位置矢量和两个速度矢量的定轨新方法——改进的有摄初轨计算的单位矢量法,建立了相应的计算模型,构造了条件方程组的解算方法。仿真计算和任务实测数据验算表明,该方法首次实现了利用星箭分离前后处于两条不同轨道的测轨数据的联合定轨。由于延长了定轨数据弧段,有效地提高了入轨段初轨确定精度。     

飞船在大气层外飞行段的主要参数对轨道的影响

飞船返回地球时再入速度很大,过大的过载和气动加热率尤其对载人飞船带来安全性问题。如果利用航天器在大气层外及其边缘处多次再入运动,可降低速度、耗散热量。文章主要分析了载人飞船在大气层外多次再入飞行时的各主要参数对飞船轨道和轨道终点的影响。在分析过程中,首先建立了飞船在大气层外飞行的数学模型,进而通过大量的数值仿真得到一条基准轨道,在此基础上分别改变轨道起始点参数（倾角、偏航角和飞行速度）的初始值,分析轨道的特性及轨道的终点误差。最后根据起始点参数值和对应的轨道终点误差值的关系,得到了飞船在大气层外飞行时的起始参数对飞行轨道及轨道终点影响的敏感度,从而为工程上轨道的设计提供一个有效的参考依据。     

Spin-stabilized satellite magnetic attitude control scheme without initial detumbling

The angular motion of an axisymmetrical satellite equipped with an active magnetic attitude control system is considered. The dynamics of the satellite are analytically studied on the whole control loop. The control loop is as follows: preliminary reorientation along with nutation damping, spinning about the axis of symmetry, then precise reorientation of the axis of symmetry in inertial space. Reorientation starts right after separation from the launch vehicle. Active magnetic attitude control system time-response with respect to its parameters is analyzed. It is proven that low-inclined orbit forces low control system time-response. Comparison with the common control scheme shows the time-response gain. Numerical analysis of the disturbances effect is carried out and good pointing accuracy is proved.