面向航天器在轨加注的地面模拟技术

文章结合近年来航天器在轨加注的相关研究,着重对其地面模拟试验技术进行了探讨。首先对国外相关地面模拟技术进行了综述,其次对一种新型地面模拟系统进行了详细介绍。该系统由气浮平台、航天器模拟器、光学测量系统、地面控制系统、自主对接和流体加注机构等组成,不仅能演示航天器在轨加注任务的全过程,而且能完整演示自主对接与分离、流体传输与控制、导引测量与推进等在轨加注关键技术。     

在轨流体管理技术进展和关键技术分析

综述了国外在轨流体管理技术的发展现状与趋势，分析了低温流体长期在轨贮存、在轨加注、空间流体生产等主要技术，并提出了在轨流体管理中需突破的关键技术难题。     

异体同构连接分离装置设计与分析

针对在轨服务与维护的航天器需要在轨多次对接与分离的问题,面向微小卫星在轨重复连接分离的技术需求,提出一种新型的异体同构式连接分离装置方案,可实现对接机构主动端与被动端的无差别使用.介绍了异体同构式连接分离装置的原理、组成,给出了该装置的两种导向容差构型方案,并比较了两种导向容差构型的优缺点,最后介绍了两瓣式容差构型的实物验证情况.研究结果表明:该装置可作为航天器在轨服务与维护的对接机构服役,其两瓣式导向容差构型可在保持主动端与被动端"异体同构"特色的前提下增强装置的容差能力.     

基于非线性有限元的网套补偿器轴向刚度特性及计算方法研究

网套补偿器在航天管路系统中广泛使用,补偿器的轴向刚度是其基本力学参数,然而其复杂的微结构特征使得轴向刚度呈现强烈的非线性。为实现对网套补偿器轴向拉伸全过程的仿真计算,从钢丝网套入手,基于钢丝的螺旋梁模型,分析了轴向长度、螺旋角及网套直径对轴向刚度的影响,结果表明轴向长度和螺旋角将显著影响轴向刚度;分析了边界条件的影响,结果表明在计算轴向刚度时固定边界与约束径向位移的循环边界可以互换。结合网套刚度分析的结论,提出了基于接触关系的子网套刚度分析方法,解释了拉伸时轴向刚度非线性变化原因,进一步建立了2/N波纹管-螺旋梁复合模型以及2/N单波-单锭螺旋梁复合模型用于不同刚度阶段的有限元计算。算例结果表明,仿真获得的力-位移曲线与试验曲线一致性较好,高刚度阶段的轴向刚度误差为3.40%。     

静止轨道卫星在轨延寿技术研究进展

随着星上设备及元器件可靠性的提高,推进剂耗尽将成为未来静止轨道卫星的主要失效
模式。静止轨道卫星在轨延寿技术可通过发射延寿飞行器与失效卫星对接,采用辅助控制或燃料加注方式,进一步延长卫星在轨工作寿命。本文首先对近年来静止轨道失效卫星进行了统计和分析,随后介绍了静止轨道卫星在轨延寿技术的基本概念和任务特点,在国外典型项目调研的基础上,对在轨延寿任务所涉及的交会轨迹规划与控制、视觉测量与导航等关键技术进行了分析。在轨延寿技术的发展必将对未来静止轨道卫星的设计及运营模式产生重要的影响。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。     

包带式星箭连接结构轴向刚度研究

包带锁紧装置广泛用于卫星和运载火箭之间的连接。在发射过程中,它起到连接星箭和传递载荷的作用,合理地确定包带连接结构的强度和刚度对卫星的成功发射至关重要。给出包带连接结构轴向刚度与包带结构参数、预紧力以及轴向拉力之间的关系,提高包带连接结构刚度预测的精确性。首先对包带连接结构各组件的受力情况进行分析;根据各组件受力特点,应用弹性力学理论推导了一定轴向拉力范围内包带连接结构的变形及刚度的解析表达式;最后,针对某型包带锁紧装置与有限元仿真结果进行对比,验证了分析方法和解析表达式的正确性。
     

一种在轨卫星质量特性计算方法

提出一种基于交互式迭代和批量最小二乘法的在轨质量特性计算方法,仅使用陀螺作为敏感器,动力学模型适用于零动量和偏置动量两种控制模式,考虑了卫星与飞轮动量交换以及参数之间耦合关系,且能够适用于在轨不进行连续大角度姿态机动的卫星。计算结果表明,此方法具有快速、稳定的收敛特性和较高的计算精度。     

一种模块化微小型卫星对接机构建模仿真

面向微小卫星在轨服务的连接分离技术的需求，针对一种模块化微小型卫星对接机构，分析其机构原理，推导了机构的运动方程，并利用MATLAB验证机构的运动学模型的正确性，结合仿真定量分析机构可能出现的干涉问题，给出了不干涉条件。为研制用于模块化微小型卫星的对接机构提供一种运动学建模和仿真分析的 思路 。     

基于在轨组装维护的多载荷协同观测卫星平台构型设计

针对高轨遥感卫星多载荷协同观测和一致测量应用需求,在前期总体技术方案研究的基础上,通过开展现有在轨组装航天器和高轨卫星公用平台的构型调研,提出了一种适用于多载荷协同观测需求的平台构型设计方案。平台利用CZ-5运载火箭发射并在轨展开,采用“网格式中心承力筒+板+桁架”式的总体构型,开展了主传力路径、贮箱承载结构、网格式中心承力筒等的细化设计工作,并进行了结构产品的初步设计,建立了平台结构整星的有限元模型。仿真分析表明:平台结构整星的各向一阶频率均能满足运载火箭的频率要求。基于标准化、通用化的平台接口设计,使其具备可扩展及可维修的能力,大大提升了平台鲁棒性。基于全网格筒的主承力设计,增强平台结构承载能力,并改善平台内部热环境。该设计方案可为基于在轨组装维护的高轨遥感大平台结构的设计提供有价值的参考。     

飞行器在轨服务

定义了在轨服务（OOS）的概念。介绍了OOS可实现的在轨检查、组装、更换修理、补给,以及轨道转移等功能,讨论了可扩展公共卫星平台、精确测量系统与控制软件、先进对接机构、燃料传输系统、先进机械臂系统,自主运行与管理等关键技术。阐述了OOS发展的需求与驱动因素,以及对飞行器设计中通用化与标准化、理念调整,以及可靠性与技术分配重构等的影响。     

Research on constellation refueling based on formation flying

A new scheme for refueling satellite constellation is proposed in this paper. Compared with the traditional research, where the satellite refueling is implemented through spacecraft rendezvous and docking, the new pattern studied here is based on formation flying, and it is more feasible, safer and more reliable. On the grounds of the proposed pattern, two refueling strategies are studied. The first is called single supplier refueling (SSR) based on formation flying. In this scenario, one fuel-sufficient satellite called a supplier, departs from its parking orbit, and after a series of orbit maneuvers, arrives at the target constellation that consists of multiple fuel-deficient satellites called workers. It then transfers equal fuel to each worker within the prescribed mission time. The second strategy is called double suppliers refueling (DSR) based on formation flying. This time two suppliers take charge of refueling half of the workers respectively in the same way as SSR. Using a genetic algorithm, the orbit of a supplier with a minimum consumption of fuel can be obtained once the mission time is fixed. Simulation results indicate that DSR is superior to SSR and that this dominance will be more distinct as the number of workers increases and the mission time decreases.     

基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale（MMS）任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队，协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析。采用基于轨道根数的相对运动模型，分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标——质量因子均值和平均边长均值的影响规律，并由此提出一种编队轨道优化设计方案，将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中。该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数（除相对半长轴外），目标函数既考虑到四面体编队的平均性能，又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响。仿真算例显示，在不施加主动控制的条件下，利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

空间大质量目标转位操作双臂协调控制方法

针对空间中双臂协调转位过程中面临的双臂异构、刚度不同、负载较大、测量/执行误差影响大、抓捕位置随机偏差等问题，提出了一种空间大质量目标转位操作双臂协调控制方法。首先基于双臂转位的几何约束，进行协调转位运动规划。然后，将双机械臂关节划分为主动关节和从动关节，并对主动关节设计关节位置控制器，对从动关节设计零力控制器，从动关节在转位目标的拖动力下进行跟随运动。最后，数学仿真表明了所提出的双臂协调转位方法的有效性。     

基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划

针对空间机械臂执行封闭在轨操作任务时,终止时刻机械臂关节角与基座位姿发生漂移的问题,提出一种基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划方法。结合在轨操作任务特点,分析了空间机械臂重复运动要求,将重复运动问题转化为关节构型、末端姿态与基座姿态复位优化问题并设计了空间机械臂重复运动优化算子;在此基础上,引入任务优先级概念,将重复运动优化算子引入主任务的零空间,保证主任务完成的同时机械臂重复运动得以优化;进而为增强重复运动优化能力,空间机械臂基座姿态保持算子也被引入。仿真结果表明,新算法能够减小关节角与基座位姿的漂移,实现空间机械臂重复运动规划,可以应用于实际的控制系统中。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

轨道机动的时间-能量综合最优控制

围绕航天器快速精确轨道机动问题,探讨在持续小推力作用下,航天器轨道机动中时 间和能量综合最优控制的技术和方法。基于Pontryagin最小(大)值原理,针对目标轨道为平 面和空间椭圆的情况,推导了时间-能量综合最优控制的Hamilton正则方程组、终端条件 、横截条件和最优控制的表达式,应用数值方法求解正则微分方程组的两点边值问题,得到 了最优控制的数值解,包括最小时间、最小能量、最优轨道、最优控制时变曲线和最优反馈 控制曲线等,实现轨道机动最优控制的精确数值模拟。从数值结果的对比分析中得出了一些 有意义的结论,可供工程实际参考。