液化气体推进剂在微小卫星推进系统中的应用

随着微小型卫星的发展,液化气推进系统成为了此类航天器推进系统的选择。目前,国内外常用的液化气推进剂有一氧化二氮、丁烷、丙烷、氨等。本文对液化气推进剂的发展历史和研究现状进行了综述,对液化气推进系统在应用中面临的技术问题进行了分析,并在综合考虑各项因素的情况下,推荐采用一氧化二氮作为微小卫星液化气推进系统的推进剂。     

微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星,考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法.首先,建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型;然后基于动力学模型,利用变步长龙格库塔算法,设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法.随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF),设计在轨标定算法,对存在误...     

双模式离子液体推进剂的分解特性与热试车实验研究

硝酸羟胺(HAN)/1 乙基 3 甲基咪唑硫酸乙酯(［Emim］［EtSO4］)混合离子液体推进剂具有绿色无毒、高性能、易电离的特点，既可以应用于化学推进模式，又可以应用于电推进模式，是肼类推进剂的一种理想的替代品.利用热重分析 差示扫描量热法(TGA DSC)研究了HAN/［Emim］［EtSO4］离子液体推进剂的热分解和催化分解过程.研究了其在升温速率为5 K/min~15 K/min时，热分解和催化分解情况下的失重过程和放热过程.失重结果表明，该离子液体推进剂分解过程中，放热曲线表明，分解过程存在两个显著的放热过程使用催化剂可以显著地降低推进剂的分解温度和残余质量.最后，研制了推力为200 mN的模型发动机，热试车结果表明，HAN/［Emim］［EtSO4］离子液体推进剂可以在催化点火条件下实现稳定启动，在空间推进领域具有良好应用前景.     

微小卫星轨道保持的混合切换控制方法

固体微推力器阵列作为一种新型推力装置用于微小卫星轨道保持具有精度高、无燃料泄漏、冲量可调等优点,但是微推力器推力不连续的特点,使得控制系统设计时与以往的连续系统有所不同。为了充分发挥微推力器高精度的特性,采用基于混合系统的切换控制思想,建立了微推力器混合切换系统控制模型。首先,根据固体微推力器的推力特点推导了卫星离散动力学模型;其次,以李雅普诺夫稳定性定律为基础,设计了混合系统脉冲切换控制律;最后,针对小卫星轨道控制进行了仿真验证。结果表明,基于混合系统建立的控制模型能准确反映微推力器的特点,轨道保持精度能达到0.2m,而且推力器消耗量满足卫星长时间在轨运行要求。     

应用变速控制力矩陀螺的微小卫星大角度姿态机动控制

研究了变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的微小卫星多目标快速姿态机动的控制问题.控制力矩陀螺(CMG)可以在不增加功耗、质量和体积的条件下为微小卫星提供独特的控制力矩、角动量和姿态机动能力,这有助于微小卫星变得更加机动灵活.首先建立了以变速控制力矩为执行机构的航天器姿态动力学模型,采用修正Rodrigues参数描述姿态.在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器.以采用VSCMG为执行机构的某微小卫星为例进行了数值仿真,结果表明卫星在机动中达到了快速和稳定的要求,提出的非线性姿态反馈控制器有很好的鲁棒性和有效性.      

一种测量卫星液体推进剂的组合方法

提出并讨论了一种实现在轨卫星液体推进剂剩余量高精度测量的原理性方法。该方法基于推进剂消耗产生的自激励效应,利用配置在贮箱上的温度、压力传感器和推进剂管路上的流量计等数据测量设备,即可进行推进剂剩余量测量。     

板式表面张力贮箱推进剂重定位过程数值仿真的网格收敛性分析

为了验证2.67 L卫星贮箱性能，通过建立贮箱仿真模型，分别对贮箱50%与60%填充率下推进剂的重定位过程进行仿真验证。为了提高仿真效率，通过引入GCI指数这一概念，对比295万、625万、767万、955万网格数量的仿真结果，对仿真模型的网格收敛性进行分析。通过两个工况仿真结果的对比验证，认为当网格数量为625万时，数值模拟的误差能够收敛，具有较高的仿真效率。基于该仿真模型，对比分析了贮箱在受到轴向、周向扰动时与不受扰动时推进剂重定位过程的质心坐标变化，发现在扰动持续1 s情况下，推进剂质心变化小于1×10^-3m,因此认为该板式贮箱具有较好的抗扰动能力。     

低功率N_2H_4电弧加热发动机高空模拟试验系统

介绍了用于低功率肼(N2H4)电弧加热发动机(Arcjet)的高空模拟试验系统,阐述了该系统中的高空模拟真空系统、推进剂供给系统、电源调理单元(PCU,Power ControlUnit)、微推力全弹性测量装置、数据采集系统以及其它配套设施.针对低功率肼电弧加热发动机地面试验的特殊要求,重点介绍了有毒推进剂肼(N2H4)的供给、微小流量测量、微小推力测量的方法与原理,并在该套系统上进行了系统功能验证性试验.试验证明,该套系统满足低功率肼电弧加热发动机高空模拟试验要求,为推进肼电弧加热发动机的研究与工程应用提供了保障.     

基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统，以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性，使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型，设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络（Recurrent Fuzzy Neural Network，RFNN）逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求，利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作，该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.      

卫星结构悬浮式设计方案的热变形抑制作用分析

基于阻尼柔性连接装置的卫星结构悬浮式设计方案旨在既不降低结构完整性和支撑强度,又能为热应力提供释放空间,同时提供较高的阻尼以保证结构的振动抑制要求。文章从柔性连接的热应力释放机理出发,分析了影响卫星结构(主要是敏感仪器)热变形的主要因素,并且给出了复杂结构的设计准则。理论分析结果表明结构悬浮式设计方案可以有效改善敏感仪器的热变形情况,并且可以通过调整各部分的刚度来获得不同的抑制效果。最后通过实例证明了这种分析方法的有效性。     

“田园一号”微推进系统设计与性能测试

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求，开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂，难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质，通过将推进剂液化，减小系统体积。基于3D打印技术，设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺，设计并研制出电加热喷口，从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小，确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口，结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下，采用扭摆测量系统测试推力器推进性能，测试结果表明，当稳压罐内气体压力在0.1～0.2 MPa变化时，推力大小为5～10 mN。当喷气温度从25℃升至95℃时，推进系统比冲可提升10%以上。     

卫星图象按块分频压缩法

针对星载实时压缩的需要，设计了一种按块分频压缩算法。该算法以按块定长压缩为基础。用二级拟合修正，与高频纹理特征修正相结合的方式恢复原图象信息，得到了四倍压缩比下，有限误码扩散及较好的图象保真效果。     

In orbit performance of butane propulsion system

The present work focuses on the determination of the in orbit performance of the Alsat-1 microsatellite propulsion system. The satellite mass is 90 kg, of which 6.2 kg is the propulsion system dry mass. The system is a butane propulsion system using low power resistojet thruster with 2.3 kg of propellant. The liquefied butane gas was selected due to its higher storage density and safety compared to the other propellants used for microsatellites. The purpose of this paper is the analysis of the firings performed after the launch of the satellite and to evaluate the system specific impulse and thrust level during the system lifetime. A total of 273 firings were performed on the Alsat-1 propulsion system in the period between the end of 2002 and mid 2009, the cumulated firing time is more than 12 h 49 min. The analysis of all the propulsion telemetry data shows that the system provides a total mission delta V of 25.3 m/s which is more than the 10 m/s specified for this mission. Furthermore, the mission average specific impulse and thrust are respectively 99.9 s and 48.8 mN.     

星载观测平台的视线测量误差分配

面向光学卫星观测平台的视线测量精度需求,研究了一种基于区间分析理论的误差分配方法.基于先进的卫星、转台、相机结构,建立了惯性系下空间相机与目标间的视线矢量测量模型及测量误差模型.根据区间分析理论,给出了误差灵敏度的评价方法.根据星载观测平台的工作空间,得到了各项误差源在三个轴向上的全域最大灵敏度.以全域最大灵敏度为权重系数,建立了星载观测平台视线测量的误差分配模型,通过遗传算法将13项误差源的可行区间松弛致最大.Monte Carlo仿真验证了该误差分配方法的有效性,该方法也同样适用于机载、车载等观测平台的误差分配研究.     

推力架测试系统误差的研究

针对卫星推进系统小推力测量的特点,主要是分析推力架系统所带来的推力误差,对引起推力误差的因素进行了分析研究,并提出了误差相应的解决方法和试验数据处理方法     

基于电推力器进行南北位置保持的一种地球同步轨道注入参数方法

摘要： 电推力器在静止轨道卫星上应用越来越广泛,特别是基于电推力器进行南北位置保持,可以有效节省推进剂.提出改进的GPS星历参数解析算法,在此基础上考虑包含电推力模型在内多摄动项模型进行地面精密轨道计算,采用微分修正法,提出一种地球同步轨道注入参数方法,该方法可应用于星上自主完成基于电推力器的南北位置保持.仿真算例表明使用该方法得到的轨道注入参数,卫星能够在保证姿态确定精度的同时,完成南北位置保持任务.     

超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

超声波流量计作为一种先进的流量计量仪器已经在工业上得到广泛的应用,其高精度、易安装、不受环境因素影响等特性为航天器在轨推进剂计量带来了新的思路.超声波的反射特性使得该装置也可作为推进剂管路内流体状态的监测及故障诊断的有力工具.简介了超声波流量计的原理及发展,分析了该装置对航天器推进系统的计量及检测的适用性,并针对该项技术在中国航天器推进系统中的应用提出了具体建议.     

基于剩余推进剂估算的卫星寿命预测方法

针对地球静止轨道卫星在轨寿命问题,提出了通过星上液体剩余推进剂计算分析卫星在轨寿命的方法,研究了工程中影响卫星在轨寿命的因素,给出了适用于工程的卫星寿命预测方法,并通过工程进行了验证.      

星载观测平台的视线误差分析

为分析星载观测平台各项误差源对视线测量精度的影响,研究了一种基于多参量的视线测量误差建模与评价方法.不同于以往卫星、相机的空间测量方式,针对卫星、转台、相机的观测结构,构建了从惯性空间到光学传感器像平面的目标成像模型及星载观测平台视线测量模型.通过推导星载观测平台视线测量误差与观测中13项误差源的关系,提出一种基于灵敏度分析的误差评价方法,并在三个轴向上分析了各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响.利用蒙特卡罗仿真试验验证了理论模型的有效性.结果表明,卫星轨道误差、卫星姿态误差、载荷平台角振动误差、内外框架转动误差、像平面目标像点的位置量化误差是影响星载观测平台视线测量精度的主要因素.该方法能够科学评估各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响,对星载观测平台的总体设计具有重要的应用价值.