空间自动对接多模态滑模控制

针对空间自动对接靠拢段的相对位置控制问题,在分析滑模变结构控制的基本原理和设计方法的基础上提出了多模态滑模变结构控制方法.所谓的"多模态",指的是设计由s(0)=0与若干个s(0)≠0"滑模"区连接而成的"滑模运动"路径,使系统状态点沿着所设置的路径,从一个"模态"运动到另一个"模态",最终趋近目标点.详细阐述了多模态滑模变结构控制法的个体切换面设计、切换面的连接和控制律的设计;设计对接进展过程减弱对接状态变量间的耦合,以比较的方式,对多模态滑模变结构控制法、比例微分(PD)控制法和传统滑模变结构控制法的控制效果和性能进行了仿真和验证.仿真结果表明,多模态滑模控制系统具有良好的动态品质和性能,对变轨速度需求小,不仅能减少燃料的损耗,而且可以人为控制状态轨迹,实现状态轨迹的多样化.     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

交会对接绕飞段多模态滑模控制

基于多模态滑模控制的理念,研究了交会对接绕飞段的控制问题。介绍了 多模态滑模切换函数的设计方法,并给出滑模面的存在条件和系统稳定性证明。采用分时 控制方法弱化系统变量之间的耦合,简化了控制系统的设计。对该控制系统进行了数值仿 真,结果表明：系统可以经由预想的绕飞轨线,由初态绕飞至终态,而且对初始状态具有很 好的适应性。
     

可变比冲磁等离子体火箭原理与研究进展

介绍了VASIMR的基本组成(螺旋波等离子体源、离子回旋共振加热系统I-CRH、磁喷嘴)及工作原理。可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)是一种基于可控核聚变思想发展的先进高功率电推进方式,具有高比冲、比冲可变等特点。通过分析系统的效率及关键技术,指出VASIMR研制最关键的问题是研制高性能的螺旋波等离子体源和提高ICRH的效率等,最后评估了VASIMR在空间任务中的优势。     

PATR发动机控制特性和最大状态控制规律分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)的最大状态(最大推力和最大比冲状态)控制规律,建立了PATR的稳态变工况模型,研究了控制量对发动机性能参数的影响特性,给出了在总氢流量一定的前提下,发动机的最优性能状态(推力和比冲同时达到最大)控制规律,在此基础上进一步分别得到了发动机的最大推力状态和最大比冲状态的控制规律,并分别给出了发动机处于最大推力状态和最大比冲状态下的飞行包线。结果表明:当总氢流量一定时,PATR发动机的推力和比冲将随主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积的增加而增大;给定总氢流量下的PATR发动机的最优性能状态控制规律为:核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,此时发动机的推力和比冲同时达到最大,发动机处于最优性能状态;当主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积一定时,推力随总氢流量的增加而增大,比冲与之相反;PATR发动机的最大推力状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地增加总氢流量;PATR发动机的最大比冲状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地减小总氢流量。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题，提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先，建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型，得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型，基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性，确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而，通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理，将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题，并应用一阶下降算法进行寻优求解，实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制，在保证快速性和鲁棒性的前提下，实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明，所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

电推进工质的研究进展及发展趋势

简述电推进的原理及优势,介绍了电推力器的种类(电磁式、电热式和静电式)和电推进工质的分类(固体、气体和液体三类),并对各类工质特点进行了概述。固体工质易储存、无泄漏,但有严重碳化现象及比冲小;气体工质比冲高和可控性好,但贮存容器过大、容易泄漏;液体工质比冲大,效率高,可控性好等。在此基础上,重点论述了国外电推进工质的研究应用情况。最后结合当前材料研究前沿,对离子液体、纳米颗粒、超临界流体及传统工质修饰改性材料等作为电推进工质的前景进行了展望。     

基于自组织混合模型的多变量航天产品加工过程控制方法研究

为解决航天产品因制造过程的随机性和动态性而在复杂的多变量加工过程中表现出非线性或多模态等特性,用传统多变量过程控制方法无法有效监控的困难,提出了一种基于自组织混合模型(SOMM)的过程监控方法,以实现非线性和多模态等过程的状态建模和在线异常监控。采用自组织映射结合混合模型,对非线性和多模态等过程状态进行建模,设置控制图阈值;提出了基于最小欧氏距离和负对数似然值的制造过程控制图,在线识别和评估制造过程运行状态。设计的基于SOMM的制造过程监控系统由离线建模和在线监控两部分组成。为验证所提方法在非线性和多模态制造过程中的监控效果,进行了两个仿真实验,并与主元分析、自组织映射等传统监控方法性能进行比较。实验结果表明所提方法在非线性及多模态过程中均有更好的过程监控性能,可用于航天产品加工过程的质量控制。     

离子与霍尔电推进性能和质量的工程数据模型

为了提供航天工程任务设计时优选离子或霍尔电推进的通用对比分析方法,基于工程数据建立了包括推力器、电源处理单元、推力器选择单元、控制单元、推进剂气瓶、调压单元、流率单元、推力器支架、电缆、管路等产品的电推进的性能和质量经验模型。在此基础上通过推导建立了电推进系统干质量通用模型,模型变量参数包括推力器功率、推力器数量和推进...     

核热推进载人火星探测方案设计

针对载人火星探测任务，结合我国现有技术基础，提出我国载人火星探测方案，重点研究载人火星探测任务推进系统的设计。首先，综合考虑载人深空探测任务的约束，采用Pork-Chop图设计了适用于不同任务场景的转移轨迹；然后，参考我国空间站技术，基于核热推进系统设计了我国载人火星探测任务的飞船；最后，对核热推进系统的发动机台数和推力进行了优化，得到了适用于不同任务场景的最优推进系统组合方案。本文所研究内容为我国未来载人火星探测任务提供了有益参考。     

国外多模式霍尔电推进发展概况及启示

多模式霍尔电推进具有多个工作模式,调节能力强,相对于20世纪80年代以来广泛应用的只有一个工作模式的霍尔电推进器,其优势明显,能很好地适应诸如GEO卫星轨道转移和在轨位置保持,以及深空探测器和空间运输平台的主推进等多种任务,因此得到了广泛研究和应用.国外多模式霍尔电推进发展现状和趋势对我国多模式霍尔电推进的发展具有重要的启示作用.针对我国航天器对电推进的迫切任务需求,定量分析应用多模式霍尔电推进的收益,提出我国多模式霍尔电推进发展的建议.     

组合动力运载器上升段轨迹智能优化方法

针对组合动力水平起飞可重复使用运载器，开展了上升段轨迹优化模型设计与轨迹优化方法研究。首先，针对跨大空/速域飞行须采用多种动力形式协调工作这一问题，考虑动力/气动/轨迹/指标间的复杂耦合关系，建立了运载器动力和气动模型。其次，为降低轨迹优化问题的求解难度，设计了一种全新的飞行剖面，实现了关键优化参数的提取和攻角约束的自动满足，减少了优化算法需要处理的约束数量。然后，提出了一种改进的粒子群优化(PSO)算法完成求解；在收敛性分析的基础上，引入强化学习机制对PSO寻优过程进行自主智能控制，从本质上提升了PSO算法的求解效率。最后通过数学仿真验证了方法的正确性和有效性。     

核热火箭发动机系统循环方案分析与设计

核热火箭发动机是未来实现载人火星探测的首选动力方案,其具备高比冲、大推力和长工作寿命等优点。我国在此方面研究较少,亟需开展核热推进技术理论及方法的研究。核热火箭发动机系统循环分析与设计是关键问题之一,对推进系统总体设计有重要意义。分析了3种可用于核热火箭发动机系统循环的方案特点,基于闭式膨胀循环设计了比冲为910 s ...     

Single crystal mo solar thermal thruster for microsatellites

One potentially attractive propulsion concept offering significant payload gains for orbit transfer from LEO to higher orbits, station keeping and attitude control of spacecraft is thermal propulsion using light gas (typically hydrogen) as propellant and various kinds of heat energy. Solar Thermal Propulsion (STP) is a typical thermal propulsion with high Isp (500 – 1,000 s) in an appropriate thrust magnitude range and provides possibly much less space pollution than conventional chemical propulsion.

This paper presents the test results of a 30 mm dia. (medium-sized) windowless type of single crystal Mo thruster for orbit transfer of 50 kg class microsatellites. The cavity dia. is 20 mm, double the size of the previous model, and can apply to a primary solar reflector of up to 3.5 m dia., which is the maximum size containable in the H-II rocket fairing without segmentation. The performed mission analyses indicate that this size of STP is suitable to orbit transfer of 50 kg class microsatellites, such as LEO to GEO, or only multiple apogee kicks from GTO to GEO or deep space missions.     

Small cryogenic propulsion unit for upper stage application

The feasibility study was conducted to use the cryogenic propulsion system for the third stage of the future H-1 vehicle. While the $\text{LO}{}_2\text{LH}{}_2$ third-stage mass fraction is less than the current solid propellant third stage, the 50% higher Isp results in a significantly higher payload. Two basic configurations of the new propulsion system were proposed: one pressure-fed system and two pump-fed systems. The first is a pressure-fed system providing a 700 kg thrust at an Isp of 441 sec with restart capability. The second is a pump-fed system, operating on an expander cycle principle. A midget turbopump with a 90 000 rpm shaft speed feeds the thrust chamber which delivers 1 ton of thrust at an Isp of 471 sec. The third proposed system is also a pump-fed design using a unique expander bleed cycle, and delivers a 1 ton thrust at an Isp of 470 sec with a turbopump speed of 80 000 rpm. The results of engine testing predict the performance feasibility of respective propulsion system designs.     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

Optimum design of power-limited propulsion systems with application to fast Earth-to-Mars transfer

Power-limited systems with variable Isp, which have been studied theoretically since the beginning of astronautics, are getting closer to practical applications thanks to recent technological advances in the field of magnetosplasma rockets, such as Ad-Astra’s VASIMR concept. This type of propulsion system is considered for high-speed interplanetary transfers, such as Mars missions, with demanding payload fractions that would be compatible with manned missions. This paper explores the problem of the optimization of a power-limited propulsion system through simple performance models, and investigates the trade-off between the technological requirements, the transfer time and the payload fraction¹. Following previous works existing in literature, we model the technological characteristics of the vehicle through a small number of parameters, the most important of which being the specific weight (or mass-to-power ratio) of the power generation system. Also, we use in our models the classical “trajectory characteristic” parameter (defined as the integral over time of the squared thrust acceleration) which represents – under certain hypotheses – the propulsion requirements for an orbital or interplanetary transfer with a given time and a given thrust strategy. In this paper, we first give a review of existing methods in literature, then we present the equations of a new class of optimal design which maximizes the payload fraction, for a given transfer time and given technological characteristics. This class of optimal design is described through very simple equations that make possible to study more straightforwardly than existing calculations the links between the main mission requirements (transfer time and payload fraction) and the main technological requirements (specific weight of the power generation and structure mass ratio of the whole vehicle, excluding the power generation system). One important result obtained from these equations is a simple expression which estimates the theoretical upper limit of the power source’s specific weight as a function of transfer time and the payload mass ratio. In the last part of this paper, we apply this simple performance model to discuss the feasibility of a fast Earth-to-Mars transfer using a power-limited system.     

基于在线轨迹优化的运载火箭可重构制导方法（英文）

In order to improve the safety and reliability of a launch vehicle, we present a reconfigurable guidance method based on online trajectory optimization for thrust decrease at the ascending stage of the launch vehicle in this paper. We used a multiple shooting method to convert the optimal control problem into a nonlinear programming(NLP) problem. Finally, we used the interior point method to solve the NLP problem. The simulation results show that the method can effectively adapt to thrust decreases by 5% and 10%. This reconfigurable guidance method based on online planning is proposed to realize launch missions under the condition of power descent, thus verifying the feasibility of the method.