圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

美国轨道工厂公司商业在轨加注服务现状与发展

<正>美国轨道工厂公司（Orbit Fab）于2023年5月25日宣布,将通过“燃料库”（fuel depot）有效载荷,在2025年为美国天军（USSF）地球同步轨道（GEO）小卫星泰特拉-5(Tetra-5)提供商业在轨加注服务。“燃料库”载荷将配备名为“快速连接燃料转移接口”（RAFTI）的标准加注接口,为同样配备RAFTI接口的客户航天器泰特拉-5卫星在轨加注约50kg肼燃料。该任务标志着在轨加注技术正逐步迈向实用化、商业化。在轨加注服务是指在太空中利用服务航天器为目标航天器（客户航天器）进行气、液推进剂补给的在轨操作,是未来在轨服务领域的重要组成部分。文章将梳理研究轨道工厂公司在轨加注服务发展情况,并提出几点研究启示。     

推进剂在轨加注流体传输过程的数值模拟和地面试验研究

针对排气式在轨加注方法,对航天器在轨加注过程的流体传输行为进行数值模拟和地面试验研究．采用VOF两相流动模型数值模拟板式表面张力贮箱加注过程的流动特性,得到加注过程的流动规律．地面演示试验使用地面模拟加注系统,对排气式加注的全过程进行地面演示验证．数值模拟和地面演示试验结果表明．排气式在轨加注方法是可行的．     

基于θ-D方法的在轨操作相对姿轨耦合控制

针对诸如模块更换、燃料加注等在轨操作任务中的相对动力学与控制问题,建立了描述航天器间近距离相对运动的轨道姿态耦合动力学模型,结合轨道摄动和姿态干扰力矩分析了耦合项对模型的影响。考虑到基于状态相关系数形式模型的非线性和时变性,采用θ-D次优控制算法设计了相对姿轨耦合控制器。以在轨加注任务最终逼近段为背景,针对目标航天器失控旋转的情况进行了数值仿真,仿真结果表明了θ-D控制算法能够实现对相对轨道和姿态的同步控制,简化对控制器的求解并具有较高的控制精度。     

对GEO卫星在轨加注的服务航天器组网方案优化

对地球静止轨道（GeosynchronousOrbit,GEO）卫星在轨加注燃料以延长其工作寿命蕴含着巨大的经济价值,而执行加注任务的服务航天器在轨组网方案直接影响在轨加注任务全局。文章以GEO卫星为在轨服务对象,开展了提供加注服务的航天器最优组网方案研究。提出了1个燃料存储站加N个加注飞行器的服务航天器体系架构,燃料存储站承载大量燃料,长期在轨稳定运行;加注飞行器机动运行,执行对GEO卫星加注任务,当加注飞行器燃料不足时,返回燃料存储站获取燃料。燃料存储站的质量、运行轨道,加注飞行器的数目、质量与运行轨道、对GEO卫星提供加注的加注飞行器任务分配等是组网方案研究的重点,建立了以对GEO卫星加注任务的响应时间短、服务系统成本低为互斥评价准则的服务航天器组网方案的多目标优化设计数学模型,分析了组网方案优化问题的求解方法及流程,采用多目标粒子群算法对服务航天器组网方案进行了优化设计,通过分析一组非支配优化设计结果对于2个互斥评价准则的平衡性,提出了1个燃料存储站加4～6个加注飞行器的服务航天器最优组网方案。     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

在轨加注用超声波流量计的设计与试验

针对航天器在轨加注对推进剂流量的精确测量要求,研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时间法研究的基础上,提出流量计管路布局的设计要求,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响,对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器,通过阈值比较法,保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后,在量程（0～150g/s）范围内可达到0.1%的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用,在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验,试验表明超声波流量计在推进剂在轨加注中使用是可行的和必要的。     

国外载人航天在轨服务技术发展现状和趋势分析

保证在轨和在研航天器能在复杂空间环境中长时间稳定运行,已成为空间技术发展的重要目标。20世纪60年代,研究人员提出了“在轨服务”的概念,由此开创了空间在轨服务技术这一新的领域。空间在轨服务（OOS）是指在太空中通过人、机器人（或类机器人航天器）或两者协同来完成涉及延长航天器、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命及能力的空间装配、维护、维修等空间操作。     

中国首次“太空加油”全过程解析

4月27日晚,我国天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功完成首次推进剂在轨补加试验。在轨补加推进剂,给太空中的航天器"加油",可以大大延长航天器寿命,是建设空间站的关键技术之一。据了解,目前,国际上掌握在轨推进剂补加技术的只有俄罗斯和美国等少数国家,其中,实现在轨加注应用的只有俄罗斯。围绕在轨补加技术,各国也提出了气体回用法、被压法、放空法和贯通法等不同方法,来自中国航天科技集团公司六院801所的科研人员经过比对调研,选用的是无增压气体损耗的气体回用法,这种方法系统设计难度较大,但气体资源利用率高,突破该技术对于未来空间站建设具有重大意义。推进剂在轨补加技术是个复杂的过程,为了方便读懂此项技术,我们概括为如下6个步骤。     

国外在轨燃料加注站构型研究

正在轨燃料加注站作为空间运输系统新的组成部分,能够有效提高运载火箭的运载能力,实现更大规模的空间探测任务,有效满足更多的空间探测任务需求。在轨燃料加注站具有渐进式的开发过程、高飞行率、重复使用率以及多目的/多用途等特性,值得将它作为人类开发太空的一项长期活动进行下去。本文首先对在轨燃料加注站的构型进行了研究和评估,之后对在轨燃料加注站的在轨运作系统开展初步构想设计。     

基于学习的空间机器人在轨服务操作技术

发展具备全自主操作能力的在轨服务航天器是未来航天领域的重要方向,而赋予航天器自主学习能力是实现自主化操作的重要手段.本文首先对近年来国外在轨服务操作的重要研究计划和关键技术进行了分析,并系统论述了基于学习的机器人操作技术的主要理论和方法.然后,结合未来在轨服务的需求,对我们在此领域的初步研究成果“基于学习的在轨燃料补加控制系统”进行了介绍.最后,结合航天领域的特点,分析了基于学习的空间机器人在轨服务技术所面临的挑战和未来的发展方向.     

空间机动服务平台在轨补给技术研究

根据空间机动服务平台的特点,对推进剂在轨补给技术进行了研究,提出了一种空间机动平台推进剂在轨补给方案,即基于表面张力贮箱作为加注箱和接受箱的双组元推进系统的在轨加注方案。该方案具有如下优点：与现有卫星推进系统相匹配,改动量最少;没有使用任何活动部件,提高了系统的可靠性;产生的热量比倍压式要少,便于缩短加注时间,提高加注的可靠性和安全性。依据这一方案对空间机动平台在轨补给系统进行了详细设计。     

在轨航天器动力学参数辨识技术研究

针对在轨航天器低频密集和辨识时激励源有限且难于测量等特点,开展了适用于低频密集模态且不需激励信息的在轨航天器动力学参数辨识方法的研究,探讨了直接利用在轨响应数据在频域内辨识航天器动力学参数的技术;并根据在轨航天器低频密集特点,设计了在轨航天器动力学参数辨识仿真试验系统,对该辨识方法进行了试验验证。     

反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义,然而直接测量热流存在很多困难,因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果.首先,通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法,建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型,采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性;然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验.除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2.9%,反演效果非常好;对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演结果.      

基于深度迁移学习的航天器故障诊断

随着航天科技的发展，智能故障诊断技术是确保航天器控制系统安全、自主运行的关键技术之一.由于在轨航天器遥测数据样本少、噪声高、未标记，因此缺乏自适应能力、学习能力的传统故障诊断方法难以准确诊断在轨航天器故障.本文针对上述问题提出一种基于深度迁移学习的航天器故障诊断方法，为在轨航天器实时故障诊断提供了可行方法.首先，对航天器运行数据进行预处理，将多维时域信号转换为二维图像信号；其次，搭建基于残差网络的故障诊断深度学习框架，并利用地面测试数据与其他航天器在轨运行数据对网络进行预训练；进而，为了实现当前在轨航天器实时故障诊断，本文采用迁移学习自适应方法，设计网络联合分布自适应代价函数，对故障诊断模型进行参数重调，使模型适应当前在轨航天器故障诊断任务.仿真结果表明，所提出的基于深度迁移学习的故障诊断方法可以快速准确的诊断出航天器故障.     

基于同波束干涉测量的航天器姿态测量研究

基于地基同波束干涉测量,建立了航天器姿态测量数学模型及方程,给出了姿态解算方法,并对方程可解性与解算精度因子进行了分析。通过模拟在轨航天器轨道运行,进行了基于同波束干涉测量的航天器姿态解算数值仿真和误差分析,对解算误差和观测俯仰角的关系进行了分析和验证。结果表明,利用3个地面测站针对航天器上3个下行天线信号开展同波束干涉测量,辅以精度因子约束进行姿态解算,可以获得有效的航天器姿态信息,其精度最高可达0.001°。该方法可以作为在轨航天器姿态测量的备份手段。     

控制力矩陀螺发展与应用研究

摘要： 控制力矩陀螺(CMG)是航天器的重要姿态控制执行机构，以输出力矩大、精度高、不消耗工质等特点广泛应用于高分辨率对地观测卫星，以及空间站、空间实验室等大型航天器.近年来，随着微小型化的实现，CMG逐步装备了敏捷微小卫星，并将应用领域拓展到了在轨操作与服务，实现空间机械臂动量补偿，在轨组装角动量匹配等功能.在舰船减摇，交通工具自平衡上，CMG也展现了特有的优势.本文对CMG的发展和应用情况进行了介绍，总结了其发展趋势与研究热点，为后续研究工作提供借鉴.     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

救死扶伤的“太空医生”——空间在轨服务技术扫描

正1973年5月至7月,两批美国航天员出舱对舱外热控和太阳电池翼进行了成功的维修,挽救了重达100吨的"天空实验室",实现了人类历史上第一次舱外在轨维修服务。在轨服务技术发展至今,世界各国已经进行过和正在开展多项在轨服务项目的试验验证。在轨服务是指在太空通过人、机器人或两者协同完成的空间操作,包括延长各种航天器寿命、提升执行任务能力及清除轨道垃圾等。在轨服务