大型环形可展开天线反射器展开控制技术

大型环形网状可展开天线是卫星新型的天线载荷之一,其展开和收拢状态下的体积与重量都明显高于目前的星载天线。在发射阶段,天线需牢固可靠的收藏于卫星本体,卫星入轨后反射器需由收拢状态还原到全展开状态。大型环形网状可展开天线的反射器展开控制器是反射器展开的核心控制部件,它要实现反射器由收拢状态还原展开到位的全部控制过程。本文介绍了大型环形网状可展开天线反射器展开控制器技术的一种方案。     

大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性，保障可展天线在轨展开过程稳定性，提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先，基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后，通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模，并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后，基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明，该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值，有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。     

星载高精度伞状天线展开过程运动及受力分析

伞状天线是目前大型可展开天线的一种主流构型。由于天线口径大，天线在卫星发射阶段处于收拢状态；卫星发射至指定轨道后，天线展开至工作状态。展开机构是伞状天线展开与收拢的执行机构，其展开与收拢过程中关键零部件的运动精度及受力情况直接决定了天线展开到位精度和天线型面在轨热变形，对最终天线在轨型面精度起决定性作用。文章以国内某星载高精度伞状天线展开机构为研究对象，结合天线展开机构各运动部件参数，利用解析的方法获得展开机构运动方程；通过对方程进行分析，得到展开机构各关键部件在天线展开过程中的运动情况、受力情况及天线理论展开时间，为天线最终在轨展开时间的制定及展开过程中关键零部件的受力控制提供理论依据。     

空间大型可展开天线展开末瞬时速度控制研究

本文对可展开天线的展开末瞬时的速度控制进行了研究，在可开展天线的动力学建模、动力分析、系统辩识和控制系统设计等方面做了有益的尝试，给出了可开展天线展开末瞬时速度控制的一种智能控制方法。计算机数字仿真结果表明：该控制系统能够满足控制要求，且具有良好的准确性、灵活性、适应性等。该方法也适于其他多柔性系统的末瞬时的速度控制。     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

大型网状天线展开指向精度测量方法研究

可展开天线研制过程中需对其进行地面展开指向精度测试以验证天线在轨实际指向性能.为了实现大型网状天线展开指向精度的地面测量,基于天线实际结构特点,从影响天线展开指向精度的因素入手,在建立的统一卫星坐标系分析模型下采用了一种基于展开臂、反射器和馈源阵等多个组成子部件单独展开指向精度直接测量的模式,并在各子部件测量结果的基础上间接分析得到天线的综合指向精度,最终不仅解决了目前对于大型网状天线展开指向精度在地面无法直接测量的难题,实现了其指向精度的间接测量,而且使综合测量精度优于0.01°,满足了高精度测量需求,研究结果对后续相关类型大尺寸天线展开指向的高精度测量和分析具有重要的指导意义.     

面向卡塞格伦伞状天线的主副面同步展开机构设计及分析

针对长焦距双反射面伞状可展开天线的收展问题,根据卡塞格伦式伞状天线结构特点,提出一种曲柄滑块机构与绳索机构相结合的展开机构;建立了展开过程运动分析模型,可对关键运动部件进行展开过程的运动学分析与仿真。为减小冲击,对展开过程进行了速度规划,对比不同速度规划下天线展开时的运动参数曲线及接触力并综合考虑主面与副面的展开平稳性,确定在五次多项式速度规划下为最平稳展开过程。本文对星载天线的深入研究具有一定的参考价值。     

星载大型天线反射器桁架展开动力学建模仿真

以星载大型可展开天线为对象,研究了索网绷紧前天线反射器桁架在轨展开动力学过程。对大型天线展开机构特点和展开原理进行分析,建立了反射器桁架驱动和传动机构动力学模型。为避免初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异,以及小展开角情况下动力学方程左端系数矩阵数值性态差问题,提出了基于几何的替代约束求解方案。对星载大型天线在轨展开动力学过程进行了数值仿真,仿真结果表明,提出的方法能够有效解决初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异问题。     

某卫星大型天线真空低温展开试验

文章采用试验件主动控温的方法,完成了某卫星大型天线常压低温展开试验,对天线进行了展开控制和结构应变及展开阻力矩的测试,试验结果验证了天线在空间复杂温度环境中成功解锁、展开和锁定的能力,为大型空间展开机构的地面试验积累了经验。     

空间可展开结构拓扑综合方法研究

空间可展开结构的构型用邻接矩阵表示,采用拓扑变换的方法来研究空间可展开结构 的拓扑综合。通过构件的增加、减少以及连接关系变化的变胞综合方法实现不同构型之间的 变换运算。以周边桁架可展开天线结构为例,通过构型变换,得到了不同于目前同步展开／ 收拢方式的混合展开收拢方式,以及新的可展开结构的构型。通过所得类型的运动仿真,表 明了混合展开方式以及新的可展开结构类型的可行性,验证了空间可展开结构拓扑综合的变 胞综合方法。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法,并借鉴过载-时间控制法的相关思想,结合火星探测进入轨道的特点,研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件,采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析，提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法，并借鉴过载-时间控制法的相关思想，结合火星探测进入轨道的特点，研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件，采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

Geostationary station keeping control of a space elevator during initial cable deployment

This paper presents a basic concept to derive an orbital control strategy to achieve the full deployment and the geostationary station keeping of a space elevator during its initial cable deployment. The space elevator model is composed of a main spacecraft, a sinker mass and a massive cable connecting them. The cable elasticity, flexibility and taper of the cross-sectional area are omitted for simplification. A reference trajectory is designed so that the space elevator and its center of mass ascend vertically along the geostationary position with keeping the geostationary orbital rate. From the reference trajectory analyses, an orbital control that leads the space elevator orbit to the reference one is derived. However it is found that the reference trajectory is unstable throughout the deployment and a linear feedback control is introduced for stabilization. It is also clarified that the libration destabilizes the orbital control because the orbital acceleration caused by the libration always acts in the opposite direction to the orbital control. Therefore, a libration control is also introduced to stabilize the coupled orbital and librational motions. Numerical simulation result clearly shows that these controls facilitate the full deployment and the geostationary station keeping of the space elevator within the feasible thrust force and amount of propellant.     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题，搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型，分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型，采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题，利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开，通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪，提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中，仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开；绳索始终处于张紧状态，最大拉力为62.5N；薄膜展开过程复杂，重复出现张紧、回弹的现象，最终趋于稳定。     

航天器舱门零重力环境模拟卸载系统设计分析

卸载系统是舱门展开试验装备的重要组成部分,重点对展开试验卸载系统进行设计与分析研究。鉴于空间舱门运行轨迹复杂,采用二维滑轨吊挂方法适应曲线展开轨迹。针对质量大、易导致支撑部件变形以及卸载困难,采用多点长距离支撑均匀分散受力。设计柔性自适应弹性吊挂,对运行过程波动进行有效缓冲,避免刚性碰撞。采用高精度数显可读式拉力传感监测系统,实现展开过程拉力在线检测。针对高卸载效率要求,采用二维可调式转接组件适应多状态舱门调平,最后实现卸载率96.31%以上。结果表明,舱门零重力环境模拟卸载系统设计方法可行,分析过程合理,满足工程应用需求。     

The Aurora project: A new sail layout

Aurora spacecraft is a scientific probe propelled by a “fast” solar sail whose first goal is to perform a technology assessment mission. The main characteristic of the sail is its low mass, which implies the absence of a plastic backing of the aluminum film and the lightness of the whole structure. In previous structural studies the limiting factor has been shown to be the elastic stability of a number of structural members subject to compressive loads. An alternative structural layout is here suggested: an inflatable beam, which is kept pressurized also after the deployment, relieves all compressive stresses, allowing a very simple configuration and a straightforward deployment procedure. However, as the mission profile requires a trajectory passing close to the Sun, a configuration different from the ‘parachute’ sail proposed in another paper, must be used.     

Deployment of a lander on the binary asteroid (175706) 1996 FG3, potential target of the european MarcoPolo-R sample return mission

The idea of deploying a lander on the secondary body of the binary primitive asteroid (175706) 1996 FG3 is investigated. 1996 FG3 is the backup target of the European sample return space mission MarcoPolo-R under assessment study at the European Space Agency in the framework of the M3 Medium-Class mission competition. The launch will take place in 2022–2024, depending on its selection at the end of 2013. A lander is indicated as an optional payload, depending on mass availability on the spacecraft. Obviously, the possible complexity of a lander deployment is also an important parameter to take into account. Here we demonstrate that, considering worst case scenarios and low requirements on the spacecraft GNC and deployment mechanism, the operations are easy to implement and safe for the main spacecraft. The concept of operations is to deploy a light lander from the L₂ Lagrange point of the binary system, on a ballistic trajectory that will impact the secondary asteroid. The fundamental principles of this strategy are briefly presented and a detailed model of 1996 FG3 is considered, to which the strategy is applied. We show that the deployment is successful in 99.94% of cases.     

空间绳网有控展开方法及优化

针对影响空间绳网展开性能的绳网回弹现象，提出了一种基于拖曳绳张力控制的绳网展开控制方法。首先，使用质心追逐描述绳网的回弹现象，并针对追逐过程提出了使用拖曳绳控制的绳网展开方法。其次，以有效展开位移为优化目标，提出了一种基于遗传算法的最佳控制力优化策略。最后，基于弹簧质点法建立了绳网的动力学模型，并通过数值仿真对比了无控、恒力和变力控制下绳网的展开性能。结果表明，控制力优化策略可以成功优化出所需控制力曲线，提出的有控展开方法可以大幅提高绳网的有效展开位移，提升绳网的展开性能。     

国外空间大型网状天线在轨展开故障与对策

空间大型网状天线在轨可靠展开是确保航天任务取得成功的关键。对国外自1974—2011年间发射的部分科学、商业和军用航天器携带的大型网状天线在轨展开故障情况进行了统计,介绍了各天线展开故障的机理,并对天线展开故障应急处理方法和设计改进措施进行了总结。根据空间大型天线展开的特点,提出了加强天线抗冲击能力、充分开展天线机构实验验证和展开故障应急处理预案研究等建议。     

Sensitivity studies of the deployment of a square inflatable solar sail with vanes

This paper summarizes the results of numerical experiments to determine the sensitivity of the final attitude of an inflatable solar sail with vanes after deployment to various parameters affecting the deployment process. These parameters are: in- and out-of-plane asymmetries during deployment, length inflation profile, and vane deployment failures. We show how robust the sail deployment is to geometric asymmetries before a 35° off-Sun angle is reached. Differential delays in the time to inflate the booms and a boom sweep-back angle affect the stability favorably. Adjacent vane failures to deploy affect the stability unfavorably, while the failure of opposing vanes is acceptable. Realistic boom length rate profiles obtained during ground tests are used in the simulation showing that failing adjacent vanes in conjunction with initial inflation delays in adjacent booms represent the worst case. We also demonstrate that by feeding back attitude and attitude rate measurements so that a corrective action is taken during the deployment, the final attitude can be maintained very close to the initial attitude, thus mitigating the attitude changes incurred during deployment.