一种GEO卫星平台电推进轨道转移技术

为解决传统化学推进方式比冲小、燃料携带量大等问题,将化学推进平台改为全电推进平台。全电推进可节省卫星燃料,增加卫星载重比,延长卫星使用寿命,并且支持"一箭双星"发射。通过调研国内外全电推进卫星平台的进展情况,设计出使用电推进的轨道转移方案,并与传统推进方式进行对比。分析结果表明:卫星发射质量为2 700 kg,使用2台300 mN的推力器并联工作,从地球同步转移轨道(GTO)至地球同步静止轨道(GEO)的转移时间约为6个月,消耗燃料约650 kg,可满足任务需求。     

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点（简称HOI点）对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。     

单级入轨火箭的混合推进系统

目前,许多单级入轨火箭作为一种可能降低向低地轨道发射有效载荷成本的运载手段,正在进行配制方面的鉴定分析.NASA 已设计出一种可操作的,使用液氧/媒油/液氢三组元发动机作为单级入轨火箭的方案.Thiokol 对这种使用捆绑式混合推进系统来增加轨道有效载荷能力的运载火箭进行了评估.NASA 将这种先驱火箭作为一种方案对单级入轨火箭的技术进行了论证。这种火箭称为 X-2000。它的主要推进系统使用液氧/煤油和液氧/液氢两种发动机,Thiokol 通过用混合发动机替代液氧/煤油发动机对主推进系统进行了新的探讨。它采用的混合技术在马歇尔航天中心(MSFC)正在进行验证。因此,混合推进系统是一种有效 SSTO 的推进系统.     

发动机失效状态下空间交会的主动防撞设计

针对空间交会对接中的主动防撞问题,分析了航天器椭球型安全区域的碰撞问题.同时,在某一方向发动机失效的情况下,利用控制力耦合效应,设计了航天器主动防撞机动的控制律.结合安全区域分析和轨道机动的燃料消耗选择一条燃料最优的安全转移轨道.最后通过仿真,验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性.     

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.     

卫星轨道圆化的有限推力点火控制策略

本文研究卫星轨道圆化的点火控制策略，发动机推力为有限常值，方向可调。考虑了燃料消耗引起的质量损失。假设圆轨道上有一飞行器在运动，称为虚拟轨道器。只要卫星与虚拟轨道器软交会，就完成了轨道圆化。文中给出了使卫星与虚拟轨道器软交会的推力方向控制策略和点火位置与关车位置的求取方法。仿真结果表明，本文方法与水平推力策略和切向推力策略相比，具有更高的控制精度，而且燃料消耗接近最优。     

基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

核热推进反应堆燃料元件发展概述

深空探测作为我国航天领域未来的重要任务之一,需要性能更高的推进系统提供动力。核热推进系统具有高比冲、大推力、长运行寿命、可重复启动等优点,可为未来深空探测任务提供可靠的动力支撑。经过了60多年的发展,核热推进固态堆芯燃料元件被研制出了多种类型,如六棱柱石墨基燃料元件、扭曲条带燃料元件、六棱柱金属陶瓷燃料元件、球形包覆颗粒燃料元件、MITEE型燃料元件、SLHC型燃料元件、Grooved Ring型燃料元件等。总结归纳了核热推进固态堆芯燃料元件的发展状况,提出了发展核热推进固态堆芯燃料元件的关键技术,可为我国核热推进系统燃料元件的研制提供借鉴。     

水基推进系统综述

水基推进系统的发展为航天器推进、供电、能量储存、系统构建提供了新的选择。这一系统的核心是一体化可再生燃料电池,它利用太阳能电池帆板提供的电能电解水．产生的氢氧气体既可以用于燃烧推进,又可以通过燃料电池反应重新复合为水进行供电。介绍了水基推进系统的基本组成与工作原理,通过质量估算与性能分析,评估了水基推进系统的工作能力、适用范围及空间应用优势。     

考虑高耗时约束的全电推进卫星多学科优化

为提高卫星系统整体性能与优化设计效率，本文采用多学科设计优化（MDO）方法进行全电推进卫星总体参数优化。主要考虑轨道转移、位置保持、空间环境、供配电、结构及质量六个学科，以整星质量最小为优化目标，考虑轨道转移时间等约束条件，建立了全电推进卫星MDO模型。提出一种基于增广拉格朗日乘子法的高效全局优化方法（ALM-EGO）以快速求解卫星MDO问题。标准数值算例对比研究表明，对于处理高耗时约束优化问题，ALM-EGO方法在全局收敛性与优化效率方面具有一定的优势。最后，采用ALM-EGO求解全电推进卫星MDO问题，优化后的全电推进卫星设计方案满足各类工程设计约束，实现整星减重161.09 kg，从而验证了本文所建立模型的合理性和ALM-EGO方法的有效性。     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

微纳卫星新型动力系统研究进展

微纳卫星指采用现代技术、微电子技术、机械技术等设计制造的具有高性价比的现代微小卫星。因其具有发射成本低廉、应用灵活等特点,微纳卫星受到各国的广泛关注。微纳卫星动力系统具有良好的发展前景。本文综述了微纳卫星动力系统的发展现状,针对自中和射频离子推力器、离子液体推力器、碳纳米管阵列推力器、石墨烯材料光驱动等几种新型且有望用于微纳卫星推进的方案,简要说明其工作原理,并分析其核心技术以及性能优势。给出了发展建议:提升总冲、功耗、调节精度等参数是微纳卫星动力系统未来主要的发展方向;研发工作中需要重点关注结构工艺、离子束流中和等关键技术。     

Investigation Into Cost-Effective Propulsion System Options for Small Satellites

The paper summarizes research into cost-effective propulsion system options for small satellites. Research into the primary cost drivers for propulsion systems is discussed and a process for resolving them is advanced. From this analysis, a new paradigm for understanding the total cost of propulsion systems is defined that encompasses nine dimensions – mass, volume, time, power, system price, integration, logistics, safety and technical risk. This paradigm is used to characterize all near-term propulsion technology options. From this effort, hybrid rockets emerges as a promising but underdeveloped technology with great potential for cost-effective application. A dedicated research program was completed to characterize this potential. This research demonstrated that hybrid rockets offer a safe, reliable upper stage option that is a versatile, cost-effective alternative to solid rocket motors. Finally, an innovative technique was derived to parametrically combine the diverse cost dimensions into a useful, quantifiable figure of merit for mission and research planning. Overall, it is shown that the most cost-effective solution is found by weighing all options along the nine dimensions of the cost paradigm within the context of a specific mission.     

电推进航天器的特殊环境及其影响

文章介绍了应用离子和霍耳电推进系统在航天器周围产生的等离子体和电磁场等特殊环境,讨论了这些特殊环境对航天器各分系统或部件产生的溅射腐蚀、沉积污染、充放电、等离子体干扰、碰撞动力学扰动等影响效应,探讨了研究电推进与航天器相互作用效应的地面试验技术、空间飞行试验技术和模型分析技术,介绍了离子电推进系统与航天器相容性分析评价的技术要点。     

水反应金属燃料能量特性分析

提出了水反应金属燃料与水/金属燃料发动机概念;通过比较多种化学推进剂能量特性,可知水反应金属燃料能量密度明显高于传统火箭燃料,可以预见它在水下高速推进系统中具有广阔应用前景;通过热力计算,分析了水反应金属燃料能量特性的影响因素.     

国外卫星推进技术发展现状与未来20年发展趋势

新形势下航天技术的发展对推进技术提出了更高的要求,无论在技术的广度和深度上都是前所未有的,如15年以上静止轨道卫星和8年以上低轨道卫星对高性能长寿命推进系统的要求、电推进技术的应用、微小卫星轨道保持的应用和深空探测对先进推进技术的依赖等。本文从先进化学推进技术、电推进技术、微推进技术和新概念推进技术4个方面分析了国外卫星推进技术的发展状况,总结了未来20年卫星推进技术的发展趋势,给出了对我国今后技术发展的启示。