航天器装配定位机构的设计与实现

航天器装配定位机构是重要的技术改造项目之一,用于舱段精密对接与分解,其通过与空间定位系统、自动起吊装置的配合,实现舱段对接与分解过程的量化识别与自动控制。该机构主要设计有质心捕获、自动调平和旋转等功能,为舱段对接与分解提供基础支撑平台、航天器空间姿态调整和相关数据支持。文章阐述了航天器装配定位机构原理,并对其主要功能的实现方法进行了设计。     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

一种用于空间机械臂的 微重力模拟悬吊配重试验系统

空间机械臂工作在空间微重力环境中,广泛用于太空中的舱段对接、在轨维修等操作,因此需要在地面模拟微重力环境以满足空间机械臂研制试验要求。文章基于国内外模拟微重力环境领域技术现状,依据型号研制试验要求,提出了一种用于大型空间机械臂性能和可靠性验证的微重力环境模拟悬吊配重试验系统,并给出了悬挂机构子系统、二维随动子系统、恒拉力子系统、位姿测定子系统的设计思路和具体方案。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题，首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型，其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述，然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法，通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动，并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项，通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出，使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中，仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

小型化精密电机轴向预紧力调整研究

通过对液浮陀螺电机轴向预紧力调整情况及声音异常现象的分析,归纳和完善了电机轴向预紧力调整过程中的经验调法,并对电机轴向预紧力的量化调整进行了摸索和探讨,提出了较为可行的解决措施,从一定程度上保证了电机装调质量,提高了小型化精密电机装调合格率。     

试验运载器姿控总体优化设计技术

试验运载器在姿控动力系统空间布置紧张、控制力臂有限的情况下，要实现初始起控阶段大初始姿态偏差及气动干扰条件下的稳定控制，以及有效载荷释放阶段的多通道多次连续大角度调姿控制，给姿控系统的设计造成了困难。为此，通过鸭式直接力控制方案设计、多通道连续大角度调姿方案设计等技术，设计出了满足任务要求且性能良好的姿控总体方案。     

航天器机械臂柔性力控辅助装配方法

文章从装配的实际需求出发,提出一种航天器机械臂柔性力控辅助装配方法:通过在机械臂末端法兰与负载之间安装的六维力传感器感知作用力与力矩信息,人手直接作用于机械臂末端的负载,系统通过负载的重力补偿算法获得人手作用的力与力矩信息,而后以力/力矩信息作为输入来控制机械臂进行移动或转动,使负载柔性跟随人手运动。文章给出了装配方法的详细设计方案与相关算法,并进行了初步试验验证。试验表明,该装配方法可以有效提高在航天器狭小空间内进行大重量工件安装的效率,且安全可靠。     

大气层内动能拦截弹脉冲矢量发动机点火控制算法研究

基于脉冲矢量发动机的工作特点，提出了在飞行末端分段设计跟踪过程控制力的方法，其中过渡段利用最优控制以使所消耗的发动机数量最小，并引入神经网络以保证工作的实时性。在飞行初段，提出用直接力来对弹道进行调姿以减小中制导段需用过载的方案，并利用最优控制的方法设计了直接力作用方案。点火控制算法基于极坐标的形式，该法可充分利用脉冲矢量发动机，且可灵活控制直接力的指向。仿真表明，所提方法可以最小的代价跟踪上外界输入，具有较高的工程应用价值。     

空气弹簧支撑的Hexapod微激振平台自动调平研究

Hexapod微激振平台具有负载重量大和振动量级小的特点,为了实现精确卸载、作动器小量级精密控制,研制了基于空气弹簧支撑的Hexapod微激振平台。该平台包括负责工作状态承载的4点梯形分布的空气弹簧柔性支撑和负责非工作状态承载的3点刚性辅助支撑两部分。针对该平台自动调平控制的两大问题:即柔性支撑与刚性支撑之间存在的力耦合以及气路控制中存在的非线性和时延性,提出了连续充气和脉冲充气相结合的开关控制策略。为验证自动调平控制的可行性,在负载重量约为200 kg的Hexapod微激振平台上进行试验,结果表明,平台可在140 s内实现自动调平,且6个作动腿位移误差不超过1 mm。     

一种舱段快速连接结构设计及承载能力分析

设计了一种新型的舱段间连接装置，分析了其在轴向力载荷作用下的受力情况，并以相对滑动作为失效判据给出了预紧力的计算方法，在此基础上分析了卡箍倾角、摩擦系数以及预紧力等对该结构承载能力的影响。研究结果表明：直径为1 200 mm的连接结构能够满足1 000 kN 轴拉载荷下的使用要求。卡箍与壳体配合面倾角、摩擦系数以及预紧力等均会对该连接结构的承载能力产生影响，其中预紧力的影响主要表现为预紧力增大，卡箍与上下壳体对接面的压力增大，产生的摩擦力增大，因此其轴向承载能力增大。此外，随着配合面倾角增大以及摩擦系数的减小，则会导致该连接装置承载能力产生显著下降。     

Nonlinear 6-DOF control of spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic force

Compared to traditional docking systems, spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic mechanism has distinct advantages. However, its 6-DOF control problem has not been adequately investigated. From our knowledge, this paper attempts to study the 6-DOF control problem for the first time. Based on the far-field electromagnetic force model and Hill's model, the dynamic model of translational motion is derived; using tracking control strategy, LQR method and estimate of Extended State Observer (ESO), an optimal and robust translational controller is designed to satisfy relative position/velocity requirements of soft docking. Representing the attitude of the docking spacecraft pair by unit quaternion, the attitude dynamic and kinematic models with quaternion expression are derived; using behavior-based coordinated control approach and ESO, a decentralized attitude controller is designed to simultaneously align one spacecraft with its absolute desired attitude and with the other spacecraft of the docking pair, requiring no angular velocity measurement and exhibiting better robust capability. The feasibility and performance of this proposed 6-DOF controller are validated by theoretical deduction and simulation results.     

柔性锥-杆式对接机构碰撞过程仿真研究

以中小型航天器普遍采用的锥-杆式对接机构为研究对象,提出一种柔性对接锥作为缓冲系统的方案,用柔性锥变形吸收撞击能量作为缓冲。用有限元法对碰撞过程进行仿真,讨论了柔性对接锥作为缓冲系统的性能对对接过程的影响。仿真结果表明:与普通对接锥相比,柔性锥能减小碰撞力峰值50%多。     

空间飞行器对接动力学研究

异体同构周边式对接机构是目前飞船对接已经采用了的一种对接机构。本文详细地分析了具有这种对接机构的飞船的对接动力学。对接过程分三个阶段进行,捕获与接触;调整对接环;对接成功后的飞船姿态调整。 本文根据Jourdain—Bertrand原理推导并给出这三个阶段的对接动力学模型。同时,给出一组数字仿真结果。     

航天器不同舱段一次母线接地设计

随着多舱段航天器的发展和航天器上供配电设备的增多,设备之间的相互干扰问题日益突出。文章对不同舱段的电源接地方式进行分析研究,给出航天器不同舱段的一次母线接地设计方案及实际应用案例,为后续多舱段接地设计提供经验参考。     

基于多柔体动力学的飞行器多目标优化设计

研究了柔性航天器总体设计中基于结构与姿态控制的多目标优化问题。利用拉格朗日 方程建立了刚柔耦合系统动力学模型,提出以附件质量和微分矩阵最大实特征值为目标函数 的多目标优化问题;采用非支配排序进化求解算法（NSGA-II）,对某柔性航天器进行了多目 标优化分析设计;最优决策为具有一定规律性的空间曲线,该优化结果对柔性卫星的总体分 析设计具有一定的指导意义。
     

力限技术在航天器振动试验中的应用

为了在正弦振动试验中模拟真实的飞行环境,防止因“过试验”而导致航天器结构发生不必要的破坏,需要对试验条件进行下凹控制。在以往的加速度下凹控制方法的基础上,引入力限控制方法可以提高航天器主频处下凹控制的精度和有效性。文章分析了传统加速度下凹控制方法的局限性,并以某结构星力限控制试验为基础,阐述了结构星力限试验条件的制定方法,介绍了力限双控试验平台设计,并分析了试验结果。经分析表明,力限控制具有较高的控制精度,在加速度控制的基础上引入力限控制的“双控”试验方法,能够有效解决航天器振动试验中的“过试验”和“欠试验”问题。     

航天器对流换热地面降压模拟的临界压力准则

航天器密封舱在地面模拟试验中常通过降压法抑制自然对流的影响,但降压比的选择 往往缺乏定量准则,这使得自然对流的抑制效果得不到保证。使用数值模拟方法确定临 界压力比,以几种典型航天器密封舱内的流动换热情况为例,分析了不同Gr／Re 2 数和压力比下密封舱内的流动换热情况。得到了舱内气体温度分布和对流换热系数。通 过比较空间情况和地面情况的计算结果,分析了自然对流给流动换热带来的影响,给出了判 断临界压力的准则式,并给出了临界Gr／Re 2数。结果表明：临界压力 的准则关系和密封舱的形状和内部结构无关。
     

一种单自由度振动系统动态载荷识别方法

航天器在飞行过程中经历了复杂的力学环境,但是目前又无法直接测量出这种复杂力学载荷函数。针对这一问题,提出了一种应用力学载荷识别方法确定航天器所经受力学载荷的新方法,针对单自由度振动系统模型,以二次多项式为基函数,推导建立了基于Duhamel积分的动态载荷识别模型。仿真分析结果表明,该方法具有很高的识别精度,且不存在误差积累问题。该方法为下一步试验验证和工程应用提供了理论基础和技术支撑。     

一种航天器火工冲击源建模和分析方法

为解决航天器火工冲击力学环境预示中无法确定载荷力函数的问题,提出一种基于流体编程软件（Hydrocodes）的“振源系统-近场结构”一体化建模和分析方法,分析由火工品触发的航天器星箭分离机构及其他解锁释放机构的冲击过程,从中提取力函数, 实现对振源与主结构的解耦分析。以包带式星箭分离结构为例,对该方法的可行性进行研究和论证。通过对模型进行爆炸冲击直接加载和力函数的解耦加载这两轮计算结果的对比分析,初步校验了该方法的可行性。通过对模型的耦合性分析和对其简化模型的分析,进一步校验了局部建模的合理性和解耦分析的准确性。该方法是一种能够确定航天器火工冲击源函数的可行方法,为从工程上解决航天器火工冲击的响应预示问题奠定了基础。