空间旋转目标涡流消旋概念与仿真分析

针对消除空间旋转目标姿态旋转的问题，本文将第二代高温超导技术与涡流制动技术相结合，提出超导式涡流消旋的概念。然后，对涡流消旋的技术可行性进行了定性分析，通过对多种消旋技术手段的权衡比较归纳出涡流消旋的优势。接着，采用电磁张量理论，建立了电磁-涡流作用机理的精确磁场和涡流力矩模型；最后，考虑实际消旋的任务需求，对典型的高速旋转目标、低速旋转目标、以及复合旋转目标的消旋进行了动力学仿真研究。仿真结果表明，涡流消旋具有足够强大的制动能力，能有效消除目标的高速旋转或复合旋转运动。     

驱动模式和转速对某星载天线扰动特性的影响

空间天线姿态调整过程中产生的微振动，对航天器指向精度和稳定性影响较大，因此其微振动分析与设计已成为高精度航天器设计的重要内容。基于Ansys软件和Admas软件，建立天线结构的多柔体系统动力学分析模型，分析典型驱动条件下天线结构的扰动力和扰动力矩，通过地面微振动物理试验，验证动力学分析方法的可靠性。基于天线多柔体系统动力学分析模型，探讨驱动模式、驱动转速对天线扰动力和扰动力矩的影响。结果表明:扰动力和力矩主要幅值集中在频率f=0~50 Hz的低频段;驱动模式和驱动转速对天线结构的扰动频率无明显影响，主要影响扰动力和扰动力矩的幅值;单轴驱动模式下，驱动转速n=0.2 °/s时，天线的扰动最剧烈;XY双轴同时驱动时，X轴和Y轴转动单元引起的天线扰动产生一定程度的叠加，天线结构的扰动更为剧烈，扰动力和扰动力矩变化较为复杂。研究工作可为空间天线的微振动抑振策略制定提供技术支持。     

大型空间碎片机械冲击消旋位姿计算方法研究

研究了机械冲击消旋的作用机理,针对大型空间碎片的消旋问题,提出了机械冲击消旋位姿的计算方法。在空间碎片运动状态已知的情况下,基于矢量合成方法在空间碎片表面上搜寻合适的冲击位置。建立空间碎片机械冲击主动消旋的运动学模型,计算空间碎片不同位姿状态的冲击位姿,并分析冲击后的角动量变化规律。结果表明,在冲击点满足形成力偶矩的条件下,多点机械冲击可有效减小空间碎片的角动量。研究成果对于发展机械冲击主动消旋方法,提高大型空间碎片捕获效率具有重要意义。     

星载大型不规则回转体的动平衡设计仿真

文章将不规则回转体旋转中心处的约束反力和力矩作为模型动平衡特性的判定依据,借助运动学仿真软件ADAMS,进行了结构动平衡设计的仿真分析。分析了回转体静平衡和动平衡的关系,推导了回转体要实现动平衡所需的条件,给出了回转体静平衡和动平衡的评价标准,讨论了回转体模型质量分布与配平结果之间的相位关系。动平衡设计前后结构动平衡特性的对比显示,动平衡设计后,回转体旋转中心处的扰动力和扰动力矩明显减小,结构动平衡特性显著改善。     

随机扰动下的航天器姿轨保持自抗扰控制

空间飞行器在轨运行过程中除受空间摄动外，还因飞行器任务需要产生随机扰动力和扰动力矩。针对空间飞行器受随机扰动产生的耦合运动控制问题，提出了利用自抗扰方法进行轨道保持和姿态稳定的控制方法。通过引入二阶线性扩展状态观测器，对系统总扰动和状态进行观测。结合PD控制方法结合总扰动前馈补偿，克服空间主要摄动及飞行器本身产生的随机扰动，实现轨道保持和姿态稳定。仿真试验结果表明:该方法可以有效克服总扰动的影响，实现姿轨协同控制。     

基于刚体自由转动的连续推力消旋方法研究

针对空间失效卫星或废弃碎片转速过快,难以对其直接处理的问题,提出了一种基于刚体转动的连续小推力消旋方法。分析了轴对称消旋目标的运动特性,设计了消旋方法。将轴对称消旋目标的消旋方法推广到一般的消旋目标上,通过变换欧拉方程得到消旋目标各角速度分量的变化趋势和最终状态。通过一般消旋目标的仿真实验验证了该方法的可行性。结果表明:按给定顺序和方向施加单轴外力矩,能够有效降低消旋目标的转速。区别于传统的控制方法,最优控制方法需要精确测量消旋目标的实时状态信息,而分步消旋方法只需分辨角速度分量的正负,且控制力矩只需反向变化,推力器无需摆动,因此降低了对控制系统的要求。     

基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真

航天器长期在轨运行期间,空间磁场与其自身磁矩相互作用的累积,会对航天器的姿态造成较大影响,加重姿态控制系统负担,降低航天器的可靠性。文章分别针对航天器轨道计算及地磁场模型的使用,对航天器地磁干扰力矩数值的仿真进行了系统的研究,最终得到航天器在轨运行时地磁干扰力矩计算仿真方法。     

近地空间磁场梯度分布特性及磁力效应研究

以国际地磁参考场模型IGRF11为基础,推导出地球磁场梯度分布公式,并对近地空间磁场分布特点进行了分析。由基本磁力学可知,带强磁体的航天器在地磁环境中不仅受到磁力矩作用,还将受到与地磁梯度相关的磁力的影响。根据地磁环境下的磁体受力机理,文章讨论了以弱磁力改变轨道倾角的方法,并通过数值仿真验证了其有效性。     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。     

磁等离子体动力推力器发展历程及工程应用中关键技术分析

磁等离子体动力推力器具有比冲高、推力密度大的特点,被认为是未来大功率空间任务最有潜力的推进方案之一。作为电磁推进装置的一种,磁等离子体动力推力器的性能与磁场密切相关。文章从磁场来源的角度讨论了磁等离子体动力推力器的发展历程,分别介绍了自身场磁等离子体动力推力器和附加场磁等离子体动力推力器的工作原理以及几款典型的推力器原理样机的结构和特点。此外,分析了推力器综合效率与磁场产生效率之间的关系,针对磁等离子体动力推力器的工程应用中的一些关键技术进行了探讨,具体包括大功率空间能源系统、推力器寿命、推力器小型化和轻质化等方面,并列举了国内外研究机构在这些方面做出的部分研究工作。最后对磁等离子体动力推力器的未来发展方向进行了展望。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

Attitude control system of the first Russian nanosatellite <Emphasis Type="Italic">TNS-0 no. 1</Emphasis>

The results of designing the attitude control system of the first Russian nanosatellite TNS-0 no. 1 providing orientation of its longitudinal axis along the local geomagnetic field induction vector are presented. The system consists of a permanent magnet and two sets of hysteresis rods. The magnetic and geometric parameters of the magnet and rods are calculated. The influence of the permanent magnet field on the hysteresis rods and mutual influence of the rods in the case of compact satellite packaging are analyzed. Examples of calculations of transient processes and steady-state angular satellite motion are presented.     

地球磁场对带电赤道卫星的轨道半长轴和偏心率的摄动影响

本文利用摄动理论研究了带电的赤道卫星在地球磁场中做椭圆轨道运动时地磁摄动力对轨道半长径和偏心率的摄动影响。研究结果表明：地磁场对带电赤道卫星的轨道半长径没有摄动影响，既无周期摄动，也无长期摄动，但对轨道偏心率有摄动影响，且只有周期性摄动，而无长期摄动。当卫星自身带电量较大时，这种摄动影响必须予以考虑     

一种组合磁钢叠加磁场洛伦兹力磁轴承设计方法

针对现有洛伦兹力磁轴承功耗较高、工作气隙磁场非均匀性问题，提出一种基于组合磁钢叠加磁场的新型洛伦兹力磁轴承设计方法。首先建立了传统洛伦兹力磁轴承电磁力矩模型，揭示了洛伦兹力磁轴承功耗和控制精度与其磁场性能之间的对应关系。在此基础上，引入了磁场强度均值和磁场均匀度的概念，并以此为依据设计出一种轴向整环充磁磁钢与径向分块充磁磁钢组合工作的新型方案。其中轴向充磁磁钢产生主磁场，保证工作气隙周向均匀性，辅助以径向充磁磁钢，使磁场主要聚集在工作气隙处。相比现有洛伦兹力磁轴承，在相同尺寸约束条件下，新型洛伦兹力磁轴承径向磁场均匀度提升了8.7%，磁场强度提升了51.8%，周向磁场连续性显著提高。仿真结果表明,新型洛伦兹力磁轴承可以有效降低功耗、提升控制精度，研究成果可为研制超高精度磁悬浮惯性机构提供一条新的技术途径。     

Antenna radiation effects on the orbits of GPS and INTELSAT satellites

A large number of disturbances add to the main force exerted by Earth's gravitational field and affect the actual orbital trajectory of artificial satellites. They possess antennas with specific purposes, such as telecommunication systems operating at specific ranges of frequencies and radiated power. For instance, the antennas used in the GPS and INTELSAT satellites are quadrifilar helix and parabolic reflectors respectively. The radiation emitted by the antennas produces a radiation reaction force on the satellite making its orbital elements deviate from their expected values. Using a mathematical model for the radiation reaction force caused by the antenna, derived from the electromagnetic theory and the energy-momentum conservation law, the perturbation effects on the orbits of the GPS and INTELSAT satellites were studied. The numerical integrator used to solve the satellite equations of motion is based on the Runge–Kutta method of fourth and fifth orders. The theoretical model of antenna radiation reaction takes into account the satellite mass, antenna radiated power and maximum gain of the antenna.     

Behavior of tethered debris with flexible appendages

Active exploration of the space leads to growth of a near-Earth space pollution. The frequency of the registered collisions of space debris with functional satellites highly increased during last 10 years. As a rule a large space debris can be observed from the Earth and catalogued, then it is possible to avoid collision with the active spacecraft. However every large debris is a potential source of a numerous small debris particles. To reduce debris population in the near Earth space the large debris should be removed from working orbits. The active debris removal technique is considered that intend to use a tethered orbital transfer vehicle, or a space tug attached by a tether to the space debris. This paper focuses on the dynamics of the space debris with flexible appendages. Mathematical model of the system is derived using the Lagrange formalism. Several numerical examples are presented to illustrate the mutual influence of the oscillations of flexible appendages and the oscillations of a tether. It is shown that flexible appendages can have a significant influence on the attitude motion of the space debris and the safety of the transportation process.