SJ-17卫星LHT-100霍尔电推进系统飞行试验工作性能评价

为了验证霍尔电推进系统的空间环境适应性、与航天器的相互兼容性、空间工作特性及空间飞行性能与地面数据的差异性,LHT-100霍尔电推进系统搭载SJ-17新技术验证卫星开展了在轨飞行试验,对霍尔电推进系统在轨飞行试验结果进行了详细评价。结果表明:在整个飞行试验期间LHT-100霍尔电推进系统各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力79.5m N,比冲1531s,系统功率低于1.527k W,单次长时间工作8h,在轨系统开关机次数大于24次,在轨累计点火时间超过3028min,在轨飞行试验数据与地面试验数据具有很好的一致性。     

在轨加注任务中变质量特性下的空间操作臂状态扩展自适应镇定控制

模块更换方式在轨加注任务面向不同类型的多个待加注目标与推进剂模块,过程中涉及航天器对接与分离、推进剂模块拆卸与组装等多种操作,研发时需要考虑系统中质量特性变化复杂,以及地面验证中存在的全周期、遍历性的任务级微重力模拟试验难以实现的问题。首先,针对地面调试良好时在轨加注空间操作臂系统可能被掩盖的非线性动力学特性,分析了一定参数范围下,任务执行过程中负载和基座质量特性变化对空间操作臂动力学特性和控制性能的影响。随后为实现对控制对象及环境改变的自适应性,基于惯性矩阵分解与重力载荷矩阵线性化,设计g的自适应律,并扩展系统状态变量,建立系统的Hamilton模型,进而基于能量函数整形与阻尼注入的无源性控制思想,设计预置镇定控制律,提出一种可对不同工况下的系统非线性实现自适应镇定的控制方案。最后,通过仿真研究验证了所提控制方案的有效性。     

压电比例阀调节的氙气微推进系统流量特性仿真研究

基于压电比例阀驱动的氙气微推进系统是目前国际的发展趋势。压电比例阀作为该类型推进系统的核心组件,其性能将直接影响系统流量特性和推力。本文首先采用AMESim软件对某型氙气工作压力为0.3MPa的压电驱动氙气微推进系统进行建模,并对系统填充过程中的气瓶与减压阀工作特性进行分析。然后研究了不同减压阀反馈腔压力条件下的减压阀与压电比例阀的阀芯运动和氙气质量流量特性。最后,分析了压电比例阀驱动电压对开机过程中的压电比例阀阀针位移、氙气质量流量特性的影响规律。结果显示,压电比例阀阀针在通电后迅速开启,其最终的稳定升程为3.7μm。系统的氙气质量流量的稳定值为5.63mg/s。减压阀反馈腔内的氙气压力越大,压电比例阀开启后的氙气质量流量稳定值越大且响应时间越长。仿真结果表明,本次研究的氙气微推进系统可以通过改变驱动电压实现对氙气质量流量的线性调节,系统氙气质量流量可在较短时间内达到目标值。     

Bang-Bang型电推进氙贮供系统两相流仿真研究与开闭周期优化

针对某Bang-Bang型电推进氙贮供系统,基于Amesim仿真平台搭建起流动、传热动态数值模型进行两相流仿真研究,采用MBWR状态方程准确揭示氙工质相态变化。仿真模型与试验数据对比验证后,对Bang-Bang阀开闭周期进行参数敏感性分析来优化系统设计。结果表明：系统各工作阶段Bang-Bang阀下游缓冲罐压强以及各极流量仿真结果与试验数据或额定值误差在1.76%以内。Bang-Bang阀在异步工作周期中,中间小气容由于焦汤效应而温度瞬间下降,氙工质由气态转变为两相态并持续0.315s。采用适中的开闭周期可以在缩短缓冲罐建压响应时间的同时实现Bang-Bang阀的长寿命使用。     

用Xe和Kr作为霍尔电推进工质的比较

氪气作为一种惰性气体,其在地球上的资源相对于氙气要丰富很多,因此,作为氙气替代物的氪气研究,对于霍尔电推进系统的全面空间应用具有重要的意义。对亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂的性能、羽流进行了研究,并与氙气推进剂进行了比较。通过氪/氙气推进剂性能的比较,得出亚千瓦级霍尔推力器使用氪气作为推进剂时,性能有较大的下降,但是在大阳极流量、高功率工况下性能有变好的趋势。通过对氪/氙气羽流电子温度、电子密度、离子电流密度、离子能量的比较分析,找出了影响氪气推进剂性能的部分因素,为下一步氪气的应用研究工作提出了改进的方向。     

基于STK的卫星视景仿真软件的设计与实现

基于STK和STK/Connect模块构建了卫星实时仿真系统框架。以VC＋＋6.0为平台开发了卫星实时视景仿真软件,并详细给出了VC和STK集成、仿真数据的发送解析、仿真时间同步等关键技术的实现步骤。该软件利用UDP/IP协议接收数值仿真机广播的卫星仿真数据并进行解析,通过STK/Connect模块发送指令,实时驱动STK进行二维和三维视景渲染,实现了卫星在轨运行状态的实时视景显示。     

脉冲爆震发动机无阀工作对供给系统影响研究

通过测量无阀脉冲爆震发动机非定常工作对供气供油系统影响的压力数据,对建立的燃油和空气管路数值仿真模型进行了验证,基于建立的模型研究了供给系统的流量特性.研究结果表明,供油供气系统受同一爆震管头部压力作用带来的影响是不同的,这进一步导致供给系统气动开启初始充填的非定常特性,对于给定的供给系统,这种非定常特性的持续时间是固定的,当发动机工作频率增大时,其占单个周期的比重越来越大,最终导致脉冲爆震发动机的不稳定工作.      

空间站舱体转位试验系统动力学匹配设计与仿真

针对空间站舱体转位地面试验二维模拟空间三维动力学特性的等效性问题,通过第二类拉格朗日动力学方法,建立起在轨与地面试验系统之间的动力学关系,进行了质量特性匹配性设计。基于设计的质量特性,进行了在轨转位和地面试验转位两种仿真分析,仿真结果表明,在轨与地面动力学仿真结果在趋势和峰值两方面一致性很好,所设计的实验舱模拟器质量特性可以用于地面试验系统的研制。     

小型无人机的导航与制导仿真系统研究

研究了基于飞行器动力学模型的小型无人机的惯性组合导航与制导系统仿真技术,组合导航系统嵌入了飞行器的轨迹和姿态控制回路,建立了基于MATLAB/AEROSIM的组合导航计算机仿真系统,仿真系统包括惯性组合导航仿真模块、传感器仿真支持模块、飞行器6自由度动力学模型模块、飞行器轨迹生成、轨迹控制与姿态控制模块、导航仿真评估模块。基于该仿真系统,目前已开展惯性/卫星深组合、惯性/大气数据融合等理论算法和技术研究。     

基于深度图推理的卫星背板部件检测方法

在轨加注是一种典型的在轨服务操作,它对于降低空间运输成本和任务风险起着重要的作用,视觉感知系统可以感知操作任务周围环境并提供给控制系统。目前在轨加注依赖于人,在人员监控下完成或通过遥操作完成,缺乏自主性。本文围绕未来高自主性的基于深度强化学习的在轨加注方法,对基于深度学习的视觉感知方法展开了研究,针对基于深度学习的方法对相似实例的检测存在精确率低、对光照变化敏感等缺点,提出了基于深度图推理的卫星背板部件检测方法。提出的方法可以有效地检测复杂形状的目标,不依赖于手工设计的特征;提高了复杂光照环境下部件的检测正确率;可以有效区分外形相似的不同部件;其有效性在数学仿真和物理仿真中均得到了验证。     

基于不同相变模型的微重力液氢贮箱内压力与温度分布仿真预示

受空间热流的作用,相变是低温推进剂在轨压力控制中需要被考虑到的影响因素。为研究液氢贮箱内的流体行为特性,建立了低温流体CFD仿真模型,对于相变过程,基于不同的相变传质理论,建立了四种相变仿真模型。根据NASA开展的AS-203液氢贮箱压力上升试验数据,对封闭贮箱内压力上升和温度分布开展仿真预示,分析了不同相变仿真模型对压力上升和温度分布预示的结果。结果表明,相变模型1和相变模型3得到的压力上升速率和温度场结果与试验结果趋势较为一致。受到算法和适用性的影响,相变模型2和相变模型4对AS-203液氢贮箱的温度预示偏差较大,相变模型4对压力上升的预示偏差较大。     

交会对接成像敏感器成像参数设计

基于交会对接成像敏感器在轨成像目标相对距离变化较大的特性,分析了敏感器嵌入式软件对曝光积分时间、激光发光功率等各项成像参数配置的方法。针对有先验数据、无先验数据初始捕获、跟踪模式等三个不同的工作模式特性与模式切换逻辑,设计了一种初始捕获参数试配方法,并将其与跟踪模式下的最优化参数实时计算相结合,形成了完整的交会对接成像敏感器成像参数设计方案,并进行了仿真测试,结果表明该方法能够有效确保在轨实时图像清晰度满足位姿测算要求,可为交会对接末段制导相对位姿测算提供保障。该方法拟应用于我国后续交会对接任务中。     

载人航天器空气环境参数控制非定常仿真分析

为支持乘员在轨驻留,载人航天器需通过空气环境控制系统将众多设计参数和空气环境参数控制在指标范围内。文章建立了一种载人航天器空气环境非定常控制仿真分析模型,包括舱体模块、航天员模块、舱压控制模块、温湿度控制模块以及CO2净化模块。利用该模型分析了载人航天器空气环境参数随乘员代谢水平的非定常变化趋势,并评估了控制系统的工作性能。结果表明:乘员代谢水平变化对空气环境参数有显著影响,通过调节控制系统运行参数可将各空气参数控制在有效指标范围内。人区温度与O2分压、CO2分压和人区湿度有密切的影响关系,不可孤立地进行分析。为载人航天器空气环境参数控制系统的设计和流程改进提供了依据。     

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器（VI）的微型扑翼风洞实验系统。该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器、新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器（VI）的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理。利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考。     

一种通用涡轴发动机起动过程建模方法研究

涡轴发动机可靠、快速的起动过程是进入驱动旋翼飞行器安全工作的前提,高置信度的发动机起动过程模型不仅可以对起动过程进行分析与优化控制,而且减少了代价昂贵的发动机台架试车次数。本文针对起动过程复杂非线性特性的建模难题,提出一种通用的建模方法:即基于级累叠方法,根据进口条件计算各级气体流动参数来获得压气机低转速特性数据,同时根据相似原理外推出燃气涡轮、自由涡轮低转速部件特性,并将冷转动模型和部件级模型相结合。最后,建立了涡轴发动机起动模型,进行了地面状态起动过程的数字仿真,并与试车数据进行对比,最大误差小于10%,结果表明所建立的模型能准确模拟涡轴发动机的起动过程。     

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失,而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成,从而得出在轨可更换模块的机构设计方案,进而又对在轨可更换模块进行结构设计,利用 SolidWorks 软件建立该结构的三维模型,实物模型验证了其可行性。     

机器人航天员双臂操作仿真系统的研究与实现

针对机器人航天员复杂操作场景下的任务规划和仿真验证问题,基于仿真模块集成化的设计思想,集成通信模块、任务调度管理模块、路径规划模块、力控制模块、碰撞检测模块、双臂3D几何模型,通过OSG建立了实体模型及仿真场景,并建立插拔、抓握、对准、旋拧、搬运、转移等典型操作库,实现了机器人航天员双臂多种复杂操作任务的仿真。最后,通过机器人航天员搬运物体任务仿真实现双臂协调操作任务规划的仿真,验证了该系统的有效性和任务规划验证的合理性。     

基于PEM的辅助动力装置系统辨识与仿真

辅助动力装置（APU）是一个复杂的非线性系统,为了研究APU的工作特性,必须对其进行数学建模。本文依据某型APU地面试车数据,采用基于预测误差法（PEM）的输出误差模型进行系统辨识,建立了APU某一稳态点的＂小偏差＂数学模型,以满足后续控制规律的设计和研究。MATLAB仿真结果表明,此方法对APU模型辨识可行。验模表明,所建模型精度很高,且能实时准确反映APU性能,因而可在该状态下基于此模型进行控制器设计。     

霍尔推进系统扭矩特性分析及应用设计

为降低霍尔推进系统产生的扭矩长期作用于航天器对姿态控制造成的干扰,对其扭矩特性进行分析和优化设计,通过对扭矩的产生机理进行模型化分析,得到了放电参数对扭矩大小及方向的影响关系。分析表明,1kW～5kW功率级霍尔推力器工作时,会产生量级为10-4N?m的扭矩,通过控制励磁电流方向可改变扭矩方向。针对典型的全电推进飞行任务,通过提出霍尔推进系统扭矩主动控制设计,实现了对系统产生的扭矩进行相互抵消或者叠加利用,降低了系统的应用风险。     

液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真

为对发动机研制过程中多种试验方案进行仿真预示和对发动机进行结构优化，研究了液体火箭发动机系统瞬变过程模块化建模与仿真方法。提出了流体管道系统的管道一体积模块化分解方法，将组成发动机系统的典型元部件划分为21个模块，并建立了仿真数学模型。提出了一种描述模块元件及其连接关系的系统组态矩阵，以及模块的组合连接方法和组合系统的仿真计算方法。在此基础上，研制了分级燃烧循环液氧／液氢发动机系统瞬变过程的模块化建模与仿真软件(LRETMMSS)，建立了某型号液氧／液氢补燃发动机的半系统试验的仿真计算模型，进行了仿真计算，计算结果与实验数据吻合。