嫦娥五号轨道器的创新与实践

嫦娥五号任务是实现中国首次月球无人交会对接与采样返回，嫦娥五号探测器系统由轨道器、着陆器、上升器和返回器四器组成。轨道器由上海航天技术研究院抓总研制，首次完成了月球轨道无人对接与样品转移任务，同时承担地月往返运输任务。轨道器采用了外承力筒、四贮箱平铺下探、双太阳翼的构型设计方案，实现了航天器的大承载、轻量化功能;采用了推进仪器舱、对接舱、支撑舱三舱组合的构型布局方案，满足了5个分离面、8个飞行阶段和多种飞行姿态的设备布局需求;分布式一体化综合电子技术的应用，优化和整合了整器的电子功能。     

月地高速再入返回航天器时统设计及验证

月地再入返回航天器在第二宇宙速度下实现服务舱和返回器分离,返回器以半弹道跳跃方式准确地再入并着陆在预定回收区,为了保证返回器的导航精度,对返回航天器的时间精度有一定的要求。为此,文章提出适用于二级信息拓扑结构的多舱段航天器的器上时间维护系统(简称"时统")和相应的地面验证系统设计。通过理论分析和地面验证试验,并结合月地高速再入返回航天器真实在轨飞行数据分析,证明此时统设计能够在较长时间内使月地再入返回航天器的器上时间精度保持在较高的水平。     

一种并网式载人航天器控温回路系统设计

提出了一种单舱辐射器并网和组合体舱间并网相结合的载人航天器控温回路系统,能够实现单舱层次功能备份和舱间层次功能备份。建立了单舱和组合体控温回路系统非稳态仿真分析模型,对正常工作模式和几种不同故障工作模式下各舱回路控温点温度、设备温度、流量分配和航天器热负荷水平进行了分析。结果表明,对于单舱辐射器并网回路,在单条辐射器支路故障情况下,系统总散热能力损失不超过28.5%,单舱外回路完全故障时启动舱间并网回路,故障舱段可维持的热负荷水平占标准工作模式热负荷水平的63.5%,表明双层次并网控温回路系统可将设备温度有效控制在指标要求范围内,并能显著提高载人航天器所能承受的热负荷水平,提高系统的可靠性。     

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。     

嫦娥五号探测器系统级电性能测试设计与实践

针对嫦娥五号探测器综合测试中遍历在轨飞行状态引发的全面覆盖难度大,任务剖面及关键环节多引发的模拟飞行及健壮性测试要求高等问题,提出并实践了状态遍历及增量式集成的系统级测试方法,测试设计按照分状态分阶段分剖面的多层次验证策略,探索出了一套从"最基本启动,增量式叠加,分步骤集成"的整体性测试与验证的解决方案,达到了在项目早期将系统验证工作置于真实环境下开展测试评估的效果。同时也解构了探测器组成复杂,器间交互多,器内耦合多的系统级全覆盖难题。引入非侵入式监测技术解决了特定任务剖面及系统级条件下关键动作高保真数据获取的难题。与阿波罗载人登月相比,嫦娥五号探测器系统级测试设计实现了测试与评估可靠性活动在整器研制环节的流程左移,体现了中国航天器研制技术的特点。     

多舱段航天器振动基频分配速算方法

多舱段航天器在研制阶段初期面临着如何分配各舱段基频以及确认基频分配方案是否满足运载火箭方要求的问题,但在这个阶段各舱段的设计尚未定型,建立航天器三维有限元模型缺少必要的输入且时间成本较高,无法满足设计迭代和优化的需求。文章采用多段杆模型模拟航天器的纵向振动特性,采用多段梁模型模拟航天器的横向振动特性,基于基频等效原则建立航天器舱段设计参数与梁杆模型参数的数学关系,分别推导多段杆和多段梁的振动频率方程,提出多舱段航天器振动基频分配速算方法。通过某月球探测器三维有限元模型模态分析数据和力学试验数据验证了该方法的有效性。所提出的方法可用于验证基频分配方案的正确性,并为开展设计优化提供了途径。     

基于脉冲星联合定位模型的TOA预测模型误差修正算法

为提高脉冲星导航定位精度，修正脉冲信号到达时间的预测误差，文章提出一种基于多航天器联合观测数据的脉冲到达时间预测模型误差修正算法。该算法利用航天器和基准站之间的联合观测数据，通过相关运算测量脉冲到达时间差；通过数学推导得出航天器与基准站之间的位置关系与脉冲到达时间预测模型的关系；利用扩展卡尔曼滤波算法融合多颗不同辐射方向的脉冲星的脉冲到达时间差，实时在线修正预测模型参数误差。仿真实验结果表明，当观测时间超过100秒时，该方法可抑制脉冲信号到达时间预测模型的漂移误差。该方法可用于基于脉冲星的深空探测器自主导航系统，提高导航定位精度和脉冲信号到达时间预测精度。     

货运飞船敏感器设备安装精度保证设计

位姿测量敏感器的安装精度直接影响航天器密封舱在轨姿态测量和交会对接控制精度。文章针对敏感器位姿在轨无法标定和载人航天器精度保证设计制约因素多的问题,对货运飞船精度保证设计中需要考虑的停放工装和重力影响、货物空满载、舱压和发射段振动等各种要素进行研究,提出一种融合多要素的载人航天器设备精度保证设计方法,确立基于单因素精度变化量的目标函数,实现精测结果评价量化,保证位姿测量敏感器精度满足在轨测量和控制要求。该方法已成功应用于“天舟”系列货运飞船,未来可应用于其他载人航天器研制中。     

月球探测器力学环境研究及试验条件制定

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验。文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法。对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件。所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证。     

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。     

利用航天器分舱段振动试验数据获取整器响应的方法

未来大型组合体航天器振动试验可能难以在现有设备上进行,需要进行分舱考核。文章针对此问题开展了利用分舱段振动试验获取整器响应的方法研究。提出的方法为:根据不同界面下模态的映射关系,利用单舱段的振动试验数据辨识出舱段的两端固支模态;采用模态综合技术计算出整器组合体模态参数,拟合出结构的加速度响应传递函数;结合整器的加速度试验条件可以给出整器的试验响应曲线。仿真验证结果表明该方法合理可行,具有工程应用价值。     

多舱段载人航天器空气环境控制系统性能分析

建立了一种多舱段载人航天器空气环境控制系统性能集成仿真分析模型,包括舱体模块、乘员模块、舱压控制模块、温湿度控制模块和CO2净化模块,并对两舱段载人航天器空气环境控制系统性能进行了计算分析。结果表明,舱间通风传热能力较差,造成组合体温湿度水平超出指标范围,而舱间通风传质能力较强,可实现氧分压水平和CO2分压水平的集中控制。提出了一种控制系统改进方案,在非主控舱段增设控温系统改善组合体空气温度水平,仿真结果表明,控制系统改进后组合体各空气环境参数均满足设计要求。该工作有助于加快载人航天器空气环境控制系统的设计和改进流程。     

乘员绩效的工效支持

随着载人飞行任务中乘员的任务不断增加，难度也不断增加，提高乘员的工作效率和可靠性至关重要。由于乘员完成工作的效率和可靠性依赖于“乘员-航天器-地面控制”系统的内部交互，为此本文主要研究了乘员、舱载设备、地面控制设备之间的功能分配问题，航天器内工作站、显示和控制的工效学要求，以及载人航天器工效学设计的主要方法。     

嫦娥四号探测器推进系统设计特点与验证

嫦娥四号探测器推进系统在充分继承嫦娥三号探测器的技术方案基础上,在发动机精确控制和高精度变推力、轨道控制管路超压管理、月面高可靠推进剂钝化、气瓶在轨提高裕度和发动机量化极性测试方面进行了优化设计,并通过了地面试验和在轨飞行试验的充分验证。结果表明:嫦娥四号探测器推进系统完成了在轨飞行全部姿态控制和轨道控制任务,取得的发动机推力精确控制和高精度变推力等技术成果可应用于其他探测器。     

嫦娥三号推进系统在轨推进剂耗量计算方法

嫦娥三号推进系统推进剂剩余量是探测器每次变轨前需要确认的重要数据,液体推进剂剩余量计算误差会导致对嫦娥三号探测器质量估计错误,从而导致预期目标与变轨结果发生偏差,需要对轨道进行修正,导致在轨推进剂消耗量额外增大.因此,选择合理的在轨推进剂耗量计算方法是圆满完成嫦娥三号探测器飞行任务的保障。通过比较各种推进剂剩余量测量技术的测量精度、测量可靠性及使用成熟度,同时考虑嫦娥三号推进系统的实际产品配置情况和研制试验情况,嫦娥三号探测器在轨推进剂耗量计算采用加速度计法和薄记法进行综合估算.其中,轨道机动时主要采用加速度计法进行计算,其他时段主要采用薄记法进行计算。飞行试验数据分析表明,该方法有效且精度较高,可以推广应用于空间推进系统在轨推进剂耗量计算。     

某型号仪器舱组合体联合动强度试验方法

针对某型号导弹仪器舱组合体结构和设备的联合动强度考核需求，开展组合体的动强度试验方法研究:设计专门的气瓶过载弹性加载装置，实现了气瓶过载力的等效模拟；通过整舱振动试验边界模拟和传递特性分析，验证了噪声激励振动传递与机械振动传递的差异性，提出采用大刚度模拟边界代替级间段真实边界与仪器舱组合进行联合动强度试验的方法；针对3个重点结构部段提出各自的试验条件，并通过预试验和归一化输入响应的比较分析确定了舱段不同部位结构和设备的联合考核方法。该试验方法可以有效模拟由发动机脉动和气动噪声引起的声振环境，避免产品过试验，达到对舱段结构及设备的动强度考核和设备支架动特性及放大倍数评估的目的。     

月球探测软着陆与采样返回段弹道确定

针对月球探测中软着陆与采样返回段弹道计算问题,提出用数值逼近弹道确定方法。通过B样条对探测器状态进行建模,进而综合全弧段数据进行统计定轨的方法。由于样条法良好的数值逼近性能,使得该方法对探测器弹道异常复杂情况下的状态确定较为有效。对嫦娥三号探测器动力软着陆弧段进行了仿真与实测数据处理。分析了采样返回段的基本动力学与控制特征,为后续的嫦娥五号探测器的软着陆及其采样返回提供初步的可行弹道计算方法。在嫦娥三号探测器动力落月段实测数据处理中,通过评估,该段弹道确定精度优于100 m,其弹道末点与NASA的月球勘测轨道器（LRO）给出的结果差异优于50 m,证实了文章提出的软着陆弹道确定方法的有效性。     

航天器多子网时间同步系统设计与验证

为了保证多舱段多子网深空探测器在交会对接、着陆下降、再入返回等特定任务阶段的导航精度要求,针对探测器中各子网守时时间与地面标准时间同步的精度需求,对国内外多子网航天器典型组网方式和时间传输机制进行了研究和分析。在此基础上,文章提出了一种典型的多子网深空探测器时间同步设计方案,采用了基于上下级子网和对等子网相结合的时间同步机制,设计了时间传输机制保证时间维护和发布的精度。经过理论分析和地面试验,文章所述时间同步系统设计方案可以在无GPS卫星支持的条件下,长时间内实现时间精度的自主维护,满足深空探测任务的器地时间同步需求。该设计方案已成功应用于某多子网深空探测器并通过了验证,可为未来深空探测任务相关设计提供参考。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

风机在航天器热控系统的应用设计

简要描述了风机在航天器热控系统的应用设计方法与使用结果,包括用于设备降温的风机、用于舱段间拉平温度的热控风机及用于地面热平衡试验时的专用风机。提出了在噪音、电磁兼容性、寿命、真空储存和风量标定方面的有关问题。