月面巡视探测器太阳帆板热电耦合仿真计算

文章建立了月面巡视探测器太阳帆板热电耦合计算模型,制定了太阳帆板的对日定向方案和输出电能分配方案,通过数值模拟获得了月面白昼期间太阳帆板的温度及电能输出,分析了太阳帆板背面包覆隔热材料前后及帆板是否对日定向等方案的计算结果。计算表明,当帆板不对日定向时其背面包覆隔热材料对其温度场及电能输出无明显影响,对日定向时帆板温度随时间的分布规律发生了明显改变,此时帆板背面包覆隔热材料使其温度明显上升,但帆板顶面与背面的温差减小。     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

帆板驱动影响下的卫星姿态高精度高稳定度控制

受步进电机驱动作用,太阳帆板对日定向时卫星姿态受到影响。本文针对帆板驱动不平稳引起的同卫星姿态耦合干扰,提出了一种卫星姿态稳定和太阳帆板对日定向的复合控制方法。卫星姿态稳定采用自抗扰控制器,以估计补偿由帆板驱动和系统不确定性引起的干扰,并在此基础上,设计了步进电机自适应电流补偿驱动器,以克服帆板驱动机构摩擦力矩和谐波力矩影响。仿真结果表明,该方法能大大提高卫星姿态控制精度和稳定度,同时还改善了帆板对日定向的精度。
     

基于两种极值跟踪系统的星载电源智能化综合控制技术研究

提出了一种星载电源智能化综合控制系统,并讨论了其优、缺点和适用范围等。首先介绍了一种采用模糊自寻优智能控制原理,并具有参数自调整功能的太阳阵峰值功率跟踪系统,然后讨论总结了各种太阳帆板对日定向控制系统。在此基础上,通过对某小卫星的轨道参数分析,提出了一种基于两种极值跟踪的把输入输出功率调节合为一体来控制管理的星载电源智能化综合控制系统方案。系统由三大部分组成:太阳帆板、蓄电池组和一个智能控制器。智能控制器用星载计算机软件实现,可根据星上负载状况和蓄电池充电情况,以峰值功率跟踪系统为执行机构,配合智能化双轴太阳帆板跟踪系统,灵活地配置输出功率。采用的原理是以调节峰值功率跟踪系统的执行机构——脉宽调制开关调节器的占空比工作在规定范围内作为前提,计算太阳帆板在快变轴的方向上应转过的动态跟踪角度并带动伺服电机执行,同时由太阳敏感器监视跟踪状态。其中,讨论了其带来的优点和缺点,给出了具体实现的智能控制器方案和设计智能控制器采用的软件流程。总结了智能化综合电源控制系统的意义和适用范围。比较了它与其它电源控制系统在各方面的优劣。最后,对上述智能化综合控制方案进行了计算机仿真。     

羽流污染导致太阳帆板功率损失

在考虑羽流主要成分在不同温度固体表面吸附时间的基础上,给出了在轨太阳帆板温度的计算模型,综合考虑硅片透射率衰减和温度升高因素,建立了太阳帆板功率损失的计算模型.基于主要羽流污染物一甲基肼(MMH)-HNO3的透射率试验数据,推导出功率总损失计算模型.某地球同步卫星太阳帆板功率损失的计算结果表明:当污染层厚度达3.3×10-3 g/cm2时,太阳帆板输出功率下降程度不可忽视.     

大型空间可展开结构热致振动研究

搭载高精度光学载荷的空间飞行器在进出地球阴影区时,飞行器上处于展开状态的太阳帆板因剧烈的温度变化会诱发振动问题。本文采用有限元法,首先对太阳帆板进行在轨进出阴影区瞬态温度求解;然后基于卫星-太阳帆板整体动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到整星系统上,对整星系统的热致振动动力学响应进行了数值模拟。结果表明:处于地球同步轨道的卫星-帆板在进出阴影区时,太阳帆板的温度变化较大,温差最高达到200℃;时变热载荷导致帆板结构和卫星姿态发生明显的振动响应。该方法可以合理地预测大型空间可展开系统热扰动响应。     

月面巡视器太阳能帆板功率衰减特性研究

太阳能帆板的功率衰减特性分析,对地外天体表面探测器的功率平衡、电源系统健康管理以及长寿命在轨管理有重要意义。通过对月面巡视器在轨运行第2到11月昼的电流遥测进行研究,提出了一种基于有限遥测的太阳能帆板功率衰减特性分析方法。首先利用一种滞环的方法对大量的电流遥测进行数据处理;然后进行日月距离和太阳入射角的归一化,通过数据拟合计算,得出落月第一年太阳能帆板功率衰减约为2.5%,并利用巡视器历次月昼唤醒时刻的太阳入射角变化情况验证了该方法的有效性,对地外天体的太阳能帆板功率衰减特性计算提供一定参考。     

双翼箱式航天器太阳光压干扰力矩模型

在设计航天器姿控系统时,需要充分考虑各种光照条件下航天器所受到的太阳光压干扰力矩。本文针对双翼太阳帆板、面板式天线阵、箱式主体构型航天器,采用几何方法,详细讨论了航天器各表面的受晒情况,推导了不同太阳光入射条件下航天器各面所受到的太阳光压力矩数学模型。为验证模型有效性,将其应用于某三轴稳定对地定向卫星姿态动力学仿真中,得到了相应的太阳光压干扰力矩曲线。     

月面巡视器太阳板对日定向规划算法

针对月面巡视器太阳板对日定向问题,提出了一种规划算法。分析了规划指标与约束条件,约束条件包括太阳入射角约束和太阳板机械转动约束;推导了在车体姿态不变情况下的定向算法,通过将太阳板运动转换为平面上的矢量旋转,实现对日定向;利用巡视器原地转向运动弥补太阳板单自由度转动的不足,将车体运动与太阳板法向矢量轨迹投影至球面,得到车体原地转向时的定向规划算法。仿真结果表明:文章提出的算法能够实现指定约束下的对日定向;对于无法实现理想对日定向的情况,算法也能够获得太阳板的次优规划。     

一种提高太阳能帆板受晒效率方法

为提高航天器空间太阳能利用率,提出了一种可实现帆板对日定向功能的改进太阳能帆板双自由度驱动机构。根据航天器的轨道理论推导出在对日定向要求下太阳能帆板的运动规律和机构的运动轨迹,并给出了双自由度驱动机构的轨迹规划和驱动轴实时转角。仿真结果表明:用该法能实现帆板的对日定向,提高其受晒效率,对未来航天器太阳能帆板驱动机构设计与控制有一定的参考价值。     

空间站对日定向装置试验台的控制器设计与精度考核

针对太阳电池帆板大挠性、大惯量等特性，导致对对日定向装置施加的大幅值、高频响的变负载力矩难以模拟和模拟精度不足的问题，设计了以电动负载模拟器为核心装置的地面半物理仿真试验台。首先建立了电动负载模拟器（加载单元）模型，采用递推最小二乘法对加载单元各参数进行辨识，并分析各参数对加载单元响应特性的影响。提出一种超前校正与模糊自适应PID相结合的复合控制算法，该方法有效地拓宽了加载单元带宽、改善了力矩跟随性能和抑制了力矩误差。用不同信号对试验台响应速度、加载带宽和加载精度进行分析和考核。实验结果表明：该复合控制算法使加载力矩较好地复现了太阳电池帆板模型的期望输出力矩，为对日定向装置对太阳电池帆板的驱动性能考核实验模拟出较为精确的期望模型的负载（测试）力矩。     

应用计算几何的月面太阳辐照度仿真模型

月面太阳辐照度对月面环境分析、月面巡视器设计具有重要意义。文章提出了一种应用计算几何的月面任意位置太阳辐照度仿真模型。首先,计算太阳、地球等天体相对月面点的位置;然后,将各天体投影至以月面点为球心的天球球面,并通过裁剪运算和二维布尔运算得到太阳未被遮挡的形状;最后,利用太阳可见面积对理想太阳辐照度模型进行修正,得到通用的模型。为验证提出模型的有效性,将仿真结果与STK软件进行比较。结果表明,文章中的模型综合考虑了地球、月面等多种因素对太阳辐射的耦合影响,其与STK软件获得的结果相比,更符合真实的太阳光照状态。     

Attitude determination of planetary exploration rovers using solar panels characteristics and accelerometer

In this study, we propose a new attitude determination system, which we call Irradiance-based Attitude Determination (IRAD). IRAD employs the characteristics and geometry of solar panels. First, the sun vector is estimated using data from solar panels including current, voltage, temperature, and the normal vectors of each solar panel. Because these values are obtained using internal sensors, it is easy for rovers to provide redundancy for IRAD. The normal vectors are used to apply to various shapes of rovers. Second, using the gravity vector obtained from an accelerometer, the attitude of a rover is estimated using a three-axis attitude determination method. The effectiveness of IRAD is verified through numerical simulations and experiments that show IRAD can estimate all the attitude angles (roll, pitch, and yaw) within a few degrees of accuracy, which is adequate for planetary explorations.     

基于混杂非对称复合材料的自适应对日定向器

提出并设计了一种基于混杂非对称复合材料层合板的新型自适应对日定向器。该对日定向器采用混杂非对称复合材料层合板作为驱动元件，利用在轨光照条件的变化引起复合材料层合板温度变化，进而使其产生热变形并驱动太阳翼发生偏转。提出的自适应对日定向器结合传统的单自由度对日定向机构，能够实现太阳能帆板的双自由度对日定向。介绍了自适应对日定向器的基本原理，并结合地球静止轨道的光照条件进行了具体设计。利用能量变分原理建立了混杂非对称复合材料的热变形模型，分析其热变形特点，并利用有限元方法对定向器在地球静止轨道上的温度场特性、热变形及对日定向转动角度进行分析。有限元分析结果表明，通过合理设计，自适应对日定向器的转角能够随太阳光入射角变化呈线性变化，定向精度可达±1°。     

月尘累积对太阳电池阵电帘除尘效率影响的实验研究

月尘在月球探测器太阳电池阵表面的累积将会导致其输出功率下降甚至功能失效。近年来,电帘除尘方法被认为是月尘清除防护的有效手段。文章实验研究了月尘累积对三结砷化镓太阳电池性能影响,拟合得到了月尘累积质量与太阳电池相对输出功率的数学模型;利用电帘除尘装置,研究了不同月尘累积质量下电帘的除尘效率。研究结果表明,6 mg/cm2月尘累积质量是太阳电池阵电帘除尘装置启动的最佳工作条件。该研究成果可为开发具有自适应除尘能力的太阳电池阵提供技术支持。     

折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型

将太阳电池板蜂窝芯子、面板和硅电池片中发生的辐射－传导复合传热过程等效为一个无内热源的三维瞬态热传导问题。根据电池板的材料、尺寸及结构形态导出太阳电池板的三维等效导热系数。针对任意两相邻电池板表面间的热辐射交换规律，构造适用于这表面内节点温度的离散方程系数。研究折叠状态太阳电池阵边界节点的热特点时，仔细考虑了地球红外辐照、地球的太阳反照、太阳辐射加热、航天器舱体几何遮挡、深冷环境散热、飞行轨道高度及航天器在太阳－地球系中不同位置等造成的影响。利用本文给出的方程，可以求出展开前在轨折叠状太阳电池阵三瞬态不稳定温度场。     

嫦娥一号卫星热控设计中热管的应用及验证

为克服由于月球热环境的特殊性给热控设计带来的困难,尤其是卫星度过月食的极端状态条件,首次采用了舱外两舱热耦合热管、相变材料热管技术,为最终嫦娥一号卫星热控状态满足总体的技术要求发挥了关键作用。由于两舱热耦合技术的采用,两舱的热能量得到了相互补偿,因此减少了整星散热面,减少了热补偿功率需求,提高了月食结束时蓄电池的温度,使热控技术方案成为相对优化的方案。文章对热管技术在嫦娥一号卫星热控设计中的应用进行了总结,并给出了热分析及热平衡。     

太阳同步轨道卫星太阳电池阵衰减因子研究

卫星太阳电池阵衰减因子主要由粒子辐照、紫外辐照、微流星体碰撞和冷热交变等衰减因子组成;由于空间环境极其复杂,仅用上述几种因子来描述太阳电池衰减规律并不全面。文章利用某太阳同步轨道卫星在轨6年的太阳电池阵输出功率数据,通过对在轨卫星太阳入射角、日地距离因子、太阳电池阵温度进行归一化计算,最终计算出太阳电池阵在卫星寿命过程...