载人深空探测进入/再入走廊设计方法研究

载人航天器的进入/再入走廊刻画了进入地外天体或再入返回地球时允许的进入/再入角范围。载人深空探测进入/再入过程中,载人航天器必须满足进入/再入走廊约束,以避免经历过大的过载、热流和总加热量等力/热环境,威胁进入/再入飞行安全。文章研究载人深空探测进入/再入走廊的设计方法,通过融合载人航天器进入/再入预测校正制导,验证进入/再入走廊的可行性,并采用基于安全系数的偏差因素影响分析方法,获取进入/再入走廊的设计裕度。最后,以载人月地再入返回为例,具体阐明了再入走廊的设计方法,并通过数学仿真验证了设计方法的有效性。研究结果将为载人深空探测进入/再入走廊设计以及进入/再入返回总体设计提供技术参考。     

航天器跳跃式返回的再入动力学特性仿真

深空高速再入返回是航天返回技术面临的新问题。研究采用跳跃式返回方式解决高速再入产生的高过载、高热流峰值问题。建立了完整的航天器再入大气层飞行动力学模型;依据航天器跳跃式返回飞行剖面和返回飞行的运动特性,将再入大气过程划分为初始再入段、初次再入下降段、初次再入上升段、大气层外飞行段和二次再入段,详细研究了各飞行段航天器的动力学特性,简要分析了各阶段的制导任务。通过分析仿真结果,初步摸清了航天器深空飞行跳跃式再入动力学特性。     

轻小型再入飞行器发展研究

为实现深空探测无人取样返回任务,目前国外普遍采用轻小型化返回飞行器,并已取得较大成功。文章概述了星尘号、起源号和隼鸟号3个典型深空高速再入返回器的情况及技术特点,在此基础上分析了我国开展轻小型再入返回器研究的技术需求及发展建议,指出需要在高速再入返回气动技术、轻小型高速再入返回热防护技术、超声速降落伞回收技术、轻小型机构与综合电子技术等方面进行突破。     

皮卫星星箭分离动力学模拟及其灵敏度分析

皮卫星能源有限、姿控能力差等特点决定其对星箭分离初始姿态要求较高。在采用自主研发的皮卫星星箭分离机构的基础上，以多体动力学理论为基础，采用ADAMS软件建立了皮卫星及其星箭分离机构虚拟样机模型，分别就皮卫星质心偏离量、分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对入轨初始姿态影响展开了分析。分析结果表明：质心偏心量对分离姿态影响最明显，分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对其影响次之，合理配置分离弹簧与舱门扭簧弹性系数有利于卫星保持良好的姿态分离。在轨分离试验显示：分离时刻皮卫星滚动角速度、俯仰角速度、偏航角速度分别为-0.18（°）/s，-1.6（°）/s，0.95（°）/s，与在轨环境下仿真结果基本相符；入轨初始姿态能满足皮卫星的姿控要求，为其后续工作提供了保障。     

载人航天器月地返回再入问题研究

结合国外探月返回再入飞行的工程实践情况,对国外载人航天器月地返回再入几何约束、再入走廊约束、航天员过载限制约束,以及再入轨道、再入航程、再入方式和气动外形的选择策略进行了研究和分析。文章的研究结果可为我国载人探月及载人深空探测航天器返回再入设计提供参考。     

一种多星分离的姿控联合仿真方法

现阶段仅依据多体动力学,难以准确分析和评估多星分离时含调姿过程的近远场分离过程。因此针对一箭多星任务的分离安全性设计需求,提出了一种姿控联合仿真方法,实现了近远场分离的实时调姿仿真。计算结果表明,该方法与专业弹道软件相比,计算误差不超过5%。同时为了进一步研究结构参数、动力学参数和调姿算法等变量对分离方案的影响,结合拉丁超立方采样和蒙特卡罗打靶法,优化了采样空间,从而可以快速分析变量偏差、采样方式对不同分离工况的影响,进而准确判定分离方案的安全性。该方法实现了参数的自动化设置,可有效提高仿真效率,能为一箭多星发射任务的快速论证及分离安全性设计需求提供有力支撑。     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

大型航天器无控再入气动稳定性分析

大型航天器在轨运行寿命终止后,为避免坠落在人口稠密地区造成事故,一般通过控制其主动离轨再入,使其坠落在南太平洋航天器坟场区域。再入大气层过程中受气动作用影响剧烈,航天器气动稳定性对再入姿态及姿态保持有直接影响,从而影响到再入轨道。为分析质心位置、航天器舱外部件等对航天器气动稳定性的影响,文章利用快速气动力方法,获得了航天器在不同工况下的气动力矩特性,进而分析其气动稳定性。对于给定质心位置的航天器,随着舱外部件不断解体,从单配平点转变为多配平点。而对于不同质心位置,质心位置接近端面时仅存在单配平点,位于中部则可能出现多配平点。因此,对于需要再入的大型航天器,其质心位置及舱外部件在设计阶段就应考虑其对再入气动稳定性的影响,始终保持在单配平点工况,以降低再入过程姿态、轨道控制技术难度。     

深空探测自动采样机构的特点及应用

利用自动采样机构获取星体表面土壤或岩石样品,并将收集到的样品返回实验室进行分析研究是我国未来深空探测需要解决的关键技术.文章分析了深空探测自动采样机构应用及研发的现状,将采样机构分为挖取式自动采样机构、钳取式自动采样机构、研磨式自动采样机构、钻取式自动采样机构及其它新型采样机构几种类型,分别论述了这些深空探测自动采样机...     

月球无人采样返回探测器一体化热管理方案

针对我国首个月球无人采样返回探测器"嫦娥五号"所面临的散热难题,在调研国外月球采样返回探测器热控方案的基础上,通过论证提出一种"泵驱小型单相流体回路热总线+水升华器"的一体化热管理方案。该方案能够实现"嫦娥五号"着陆器、上升器热量与热沉的综合管理与利用;同时在国内首次将高适应能力主动热控体系结构应用到深空探测航天器中,推动了我国深空探测航天器热控技术的跨越式发展。     

嫦娥五号探测器供配电系统设计与验证

结合嫦娥五号探测器主要任务特点,简要介绍了多器供配电系统的功能需求、多器联合供电方案设计,并通过能量平衡仿真分析、多母线融合控制等关键技术,解决了嫦娥五号探测器在复杂空间环境下多任务、多模式的高可靠轻小型化供配电系统设计难题。在轨飞行试验结果表明:供配电系统功能正常、工作可靠、性能优良。提出的嫦娥五号探测器多器组合一体化供配电系统分析与设计方法,满足并确保了月面无人自动采样返回任务可靠实现,可为未来探月工程及其它深空探测领域供配电系统设计提供参考和借鉴。     

基于跟踪微分器的姿控喷管故障检测

针对航天飞行器姿控喷管故障的检测问题，提出了一种基于跟踪微分器(TD)的故障检测方法。该方法在考虑测量噪声、安装误差、转动惯量误差、姿控喷管特性、质心偏移等因素的基础上，设计了带低通滤波器的跟踪微分器，用来估计姿控喷管的输出力矩，并根据上述对象的实际偏差设计了无故障时估计力矩随指令力矩变化的力矩包络，即在无故障时估计力矩不会超出包络，通过检测估计力矩是否超出包络来判断是否发生故障。通过数学仿真，表明该方法能有效检测航天飞行器姿控喷管的故障，检测成功率高并且几乎没有误检。     

采用双目视觉的非合作空间目标相对导航与惯性参数辨识方法

针对面向在轨服务的非合作空间目标测量感知问题，提出了一种基于双目视觉的相对导航与惯性参数辨识方法。利用目标表面的特征点建立几何坐标系，并分别设计了姿态测量和相对导航滤波器，实现了目标姿态、角速度、轨道，质心位置与惯量比的高精度估计。在此基础上，通过黏附卫星与非合作目标形成组合体，利用相对导航算法获得的质心位置和惯量比在黏附前后的变化，实现了目标质量和转动惯量的辨识。数值仿真试验证明了算法的有效性。     

一种提高我国空间站中继测控覆盖率的方法

根据中继卫星的定点位置,对我国中继卫星-空间站的几何覆盖率进行了分析,并对提高空间站中继测控覆盖率的途径进行了研究,提出了一种采用不同舱段的2副中继天线融合使用,并通过调整天线安装布局提高中继测控覆盖率的方法。经理论分析和仿真验证,该方法能够有效地提高空间站中继测控覆盖率,可为我国空间站中继天线的安装布局设计提供参考。     

基于Rodrigues参数的视觉相对位姿确定算法

以Rodrigues参数作为姿态描述参数提出了一种视觉相对位姿确定算法。Rodrigues参 数作为一种简洁、高效的姿态描述法,适用于实时性要求高的视觉相对位姿确定,但它本身 的奇异性使其不能用于大角度的位姿确定。将视觉导航方法和无奇异姿态描述的Rodrig ues参数切换理论结合起来,推导了基于Rodrigues参数的视觉相对位姿解算模型,并给出了 这种相对位姿确定算法的流程。仿真结果表明该算法能很好地解决奇异问题,实现全姿态运 动情形下的相对位姿确定。
     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

Autonomous navigation and guidance system for low thrust driven deep space missions

Presented herein is a concept of an Autonomous Navigation & Guidance System for electrically propelled deep space missions, including hardware configuration, algorithms for autonomous navigation and guidance, and estimates of potential guidance precision and mass consumption. This concept is actually a unified Navigation, Guidance and Attitude Control system. The unification is imposed by strong coupling between the orbital motion and the spacecraft attitude characteristic of low thrust space flights. The sensor set of the system consists of an optical instrument (Coupled Sun Star Tracker), and a block of four vector accelerometers. The propulsion subsystem is a set of nearly parallel Hall thrusters rigidly attached to the spacecraft body. The final stage of data processing is combining the thrust and torque programs and generating power and mass rate shares for every thruster. An end-to-end computer simulation provides guidance accuracy estimates versus the navigation data precision, flight time and available maximum thrust. Terminal guidance errors of a few tens of km in position and a few tens of cm/s in velocities are predicted under plausible assumptions on system parameters. Mass expenditures for the control are typically below one percent of total fuel mass budget.     

一种质量矩导弹模糊姿态控制规律的研究

针对大气层内飞行的质量矩导弹,提出了一种基于模糊逻辑的姿态控制规律。在建立了3轴稳定质量矩导弹姿态运动模型的基础上,制定了3个方向上滑块位置对应的模糊规则表,并通过分析角加速度和遍历条件的关系对3个滑块位置协调控制。同时利用遗传算法根据指定的性能指标对PD控制参数进行离线校正。仿真结果表明,该方法能在保证系统稳定的情况下有效实现导弹的姿态调整。