空间实验室的风险识别与控制方法

以天宫一号空间实验室风险识别与控制技术需求为牵引，对风险识别与控制方法的分阶段应用提出建议。针对空间实验室的重要风险和组合体特性，提出了的相对风险识别法和降级重构风险控制法，从相对风险的角度对空间实验室重大风险进行识别，在天宫一号无法对组合体实施控制时，用载人飞船接替天宫一号对空间实验室组合体进行控制。规避了风险识别结果波动过大的问题，在不增加设备冗余和其它舱段的前提下降低了系统风险。     

大型低轨航天器与星座卫星的碰撞风险研究

针对商业小卫星星座迅猛发展对航天器飞行安全造成潜在威胁的问题，以600 km高度星座和大型低轨航天器为研究对象，通过区域方法(BOX)和碰撞概率风险评估方法，分析了星座与大型低轨航天器的碰撞风险。根据星座轨道演化分析表明，整个星座卫星与大型低轨航天器可能发生碰撞的时间相对集中，持续时间约 1~ 2年。BOX方法计算结果表明，每颗卫星与大型低轨航天器交会，并进入红色预警门限的交会次数约10次左右。碰撞概率计算结果表明，约有5%的卫星进入红色预警门限，星座如果在寿命末期采取无控再入将对大型低轨航天器在1~2年内产生较大的威胁。     

基于在轨可维修性的载人航天器配电系统设计

配电系统是载人航天器的电能传输网络,故障严酷度等级高,在故障模式分析的基础上合理设计遥测点及控制点可以实现其在轨维修,这对提高载人航天器的可靠性和寿命具有重要意义。文章以载人航天器配电系统的基本单元为例,从实现可维修的角度对配电系统基本单元拓扑结构的每个环节进行详细设计,包括故障诊断与定位、故障隔离与系统重构、维修流程与安全性设计3个方面,并对其可靠性进行分析。文章提出的维修性设计,能够从系统工程的角度对载人航天器系统设计进行优化,按设计要点提前规划平台资源使用情况,从而实现配电系统维修性与平台资源使用之间的平衡,对载人航天器配电系统可维修性设计具有一定借鉴意义。     

航天器火工引爆链路系统设计验证方法研究实践

火工链路设计是航天器安全设计的重要一环,其设计是否合理、验证是否充分,直接影响飞行任务的成败。为确保航天器火工装置在轨可靠工作,需要开展火工引爆链路设计验证工作。文章首先介绍了传统的火工引爆链路设计方法存在效率低、易出错的特点,然后从航天器系统角度提出了一体化火工引爆链路设计验证方案,使用基于目标导向的设计要素识别方法确保要素全面无遗漏。接着从数据融合角度建立火工引爆链路数字化仿真模型,实现数据源自动导入、仿真过程自动运行、仿真报告自动生成;最后对同一火工装置同一测试状态下的历次数据进行比对分析,确保及时发现问题。该方案可有效提高火工链路设计验证的效率和效果,为航天器火工引爆链路设计验证提供参考。     

基于高斯过程回归的组合体航天器姿态接管学习控制

空间非合作目标一般具有结构复杂、质量特性未知、姿态机动能力不明等特点,这导致组合体航天器姿态动力学呈现出高度非线性和强耦合特性,且难以对其进行在轨精确辨识。针对组合体航天器姿态接管过程中目标信息不完全、精确辨识困难等问题,本文考虑目标存在姿态机动能力的任务场景,提出了一种基于稀疏高斯过程回归(GPR)的数据驱动姿态接管控制策略。首先,从系统运行数据中提取、凝炼模型未知部分的输入/输出映射关系,构建数据驱动的概率化模型以代替无法快速准确建立的参数辨识模型,并根据该数据驱动模型设计变增益反馈控制策略,证明了系统状态概率意义上的Lyapunov稳定性和有界性;其次,考虑到在轨任务的实时性、星载计算机的计算资源有限等因素,该算法可在保证控制精度的同时显著减轻学习算法的计算压力;最后,数值仿真验证了本文所提出控制方法的有效性与实用价值。     

航天器热设计中的系统性和鲁棒性

从航天器系统设计最优的角度,讨论了热设计应关注的几个问题:系统最优而非分系统指标最优的热设计原则,合理并充分利用航天器资源的热管理思路,解决航天器研制问题的热设计最小重构手段,适应航天器在轨意外故障的鲁棒性热设计方法。提出了现阶段航天器热设计应适当增加主动热控比例的设计原则;结合卫星应用实例,给出了充分利用电加热这种简单可靠的主动热控手段,来提高热设计鲁棒性,从而提升热设计系统性的方案和流程。     

分离模块航天器综合评估方法研究

以分离模块航天器概念设计阶段的方案评估分析为目标,提出一种基于数学建模和蒙特卡洛模拟的定量化评估分析方法框架。首先,定义了分离模块航天器生命周期状态及其转移过程,建立了状态转移概率矩阵,将生命周期不确定风险因素在状态转移过程中加以考虑;进而,基于系统状态模型建立了分离模块航天器生命周期成本和净收益计算模型;然后,以生命周期成本和净收益的均值和标准差作为评价指标,提出了基于蒙特卡洛模拟的综合评估仿真分析方法;最后,采用典型设计案例进行了分析与验证。     

基于空间环境预判的航天器智能自主热控方法

传统热控技术在空间探测任务确定后,基于特定输入条件设计的控制方案,其自适应能力不足,且存在一定的时滞性。文章从系统工程学的角度,提出了基于空间热环境预判的航天器智能自主热控方法,采用航天器姿态规划实时预测外热流,开展相应的控制措施,实现对温度的前馈控制,并进行了仿真验证,结果表明:该方法可有效弥补传统热控技术在空间探测任务中调温能力的不足。在航天器高精度控温和大功率散热领域,能有效抑制低频噪声,节约热补偿功率,具有广泛的应用前景。     

航天器热平衡试验技术评述

航天器热平衡试验是航天器研制过程中的一项重要试验。随着航天技术的发展,以及设计验证方法的改进,对航天器热平衡试验提出了新的要求。在总结以往实践的基础上,结合航天器的热控设计,根据既能满足设计验证的要求、又可以简化研制流程的原则,提出了存在的问题和研究重点。     

载人航天器高压供配电安全性设计

文章通过分析载人航天器高压系统的设计难点,从系统层面自顶向下地提出了载人航天器系统高压安全控制措施并得到验证,实现了载人航天器供电、配电、用电系统的安全性设计规范化和在轨运行安全,为我国后续空间站平台奠定了电源系统技术基础。     

航天器撞击解体碎片的短期危害评估

讨论了航天器与短期碎片云碰撞概率的计算流程。基于碎片云中碎片的数量、航天器的横截面积和碰撞概率风险阈值,提出了“风险区域判据”的方法,用于快速判断筛选航天器是否存在与碎片云碰撞的风险。推导了基于NASA标准解体模型的碎片分离速度概率密度函数,建立了计算航天器与单颗碎片碰撞概率的时间积分算法。针对在计算航天器与整个碎片云碰撞概率时的数据量无限制增长问题,提出了近似简化的“准平均概率”方法,有效地解决了计算速度的瓶颈问题。分析讨论了航天器与碎片云的轨道误差对计算碰撞概率的影响。最后,采用仿真算例进行计算分析与验证。     

航天器动力管路热控设计与试验研究

针对某航天器动力系统管路布局分散造成系统温差大、控温难的问题,结合动力管路温度指标要求和边界环境条件,采用以被动热控措施为主、辅以电加热主动热控措施的设计方案。分析确立动力管路的热环境,建立换热模型;通过仿真分析和整器热平衡试验,选取不同工况,验证了动力系统氧化剂管路和燃烧剂管路温度均维持在8～20 ℃范围内的热控设计结果。该方案对各类航天器的动力管路热控设计和分析有一定的指导和借鉴作用。     

航天器组合体能量平衡分析系统设计及应用

针对航天器组合体的任务特点,提出了适用于组合体飞行、电源系统并网运行的能量平衡分析方法,并在此基础上设计了能量平衡分析系统。该系统包括能量平衡分析及实时监控两个模块,其中:能量平衡分析模块通过遮挡计算输出精确的太阳电池阵发电能力,利用实时负载状态及飞行程序计算航天器负载变化,并内嵌有应对长期在轨运行电源系统性能衰降问题的用户数据交互界面,同时考虑并网功率以及电源系统正常、故障多种工作模式,保证能量平衡计算精确度;实时监控模块将航天器在轨运行实时下传数据与理论分析值同步显示,可读性高,便于及时发现问题。文章设计的系统应用于2次交会对接飞行控制任务中,其计算效率高,精度高,为电源系统使用规划提供了理论基础。     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题，提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法，规划机械臂最终构型，保证组合体相对稳定后的角速度最小；基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法，抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够有效实现组合体的角动量转移，并显著降低组合体的柔性振动，具有工程实用性。     

组合体航天器输入-状态稳定姿态接管控制

本文针对具有对抗性力矩输出能力的空间非合作目标,研究了基于输入-状态稳定理论的组合体航天器姿态接管控制方法。首先,建立了基于相互作用力矩实时计算的组合体姿态激励-响应映射关系,实现了对组合体航天器姿态运动的准确描述;然后,基于输入-状态稳定性理论设计了不依赖系统模型参数的姿态接管控制器并给出了参数选择范围,实现了对存在有界不确定对抗力矩非合作目标的姿态接管;最后通过数值仿真校验了控制方法的有效性。     

柔性机械臂关节作动的振动抑制方法和原理性验证

空间机械臂具有柔性大、振动频率低等特点，受激后振动的持续时间长、自然衰减慢。针对空间机械臂运行完成后留存的残余振动，采用固定界面子结构方法推导出关节转动与航天器-机械臂组合体振动的动力学显式关系。从中发现了控制关节转动并使其角速度正比于组合体振动的模态坐标，便能消耗组合体的机械能，加速组合体振动衰减的力学机理。据此，设计了逻辑关系简洁的机械臂关节角速度控制律，分别通过数值仿真和试验件实测对航天器-机械臂组合体的原理性模型开展了振动抑制效果的验证。结果表明:机械臂关节作动可以显著缩短受激后组合体残余振动的持续时间。     

基于羽流效应分析的航天器发动机布局设计研究

为解决由航天器姿控发动机等带来的羽流热效应问题,文章通过仿真得到了在不同的发动机布局下航天器表面的羽流热流密度分布情况,通过增大发动机的推力线角度和安装点高度,可以使得发动机羽流核心区远离航天器表面,从而降低喷流对航天器表面的加热效应。综合考虑控制力矩及推力损失、布局包络和发动机支架设计等因素,对某航天器发动机布局进行了优化设计及羽流热防护设计。     

载人航天器舱外在轨维修维护地面验证平台设计

掌握舱外维修维护的地面验证技术对长寿命载人航天器的研制和在轨运行十分重要,而建立一套舱外在轨维修维护地面验证平台是实现地面验证技术的基础。文章从航天器舱外维修维护地面验证平台的需求分析,任务和功能分配,系统组成,详细设计等几个方面系统阐述了平台的设计。集成测试结果表明,该平台满足航天器舱外维修验证需求,可以作为广泛使用的水槽和仿真手段的有效补充。     

基于状态图的航天器测试用例设计

为进一步提高航天器测试效率和测试覆盖性,提出了一种基于状态图的航天器测试用例设计方法,以状态图模型作为测试用例设计的依据,通过模型覆盖准则,由算法生成测试用例,并以自主热控功能的测试为例,对新方法进行了可行性验证,给出了原始用例和新用例的比较结果。该方法有利于准确衡量测试用例覆盖率,缩短用例设计时间,可为工程应用提供参考。     

航天器展开机构间接式主动热控设计方法

针对目前航天器展开机构直接热控实施的功能局限性和可靠性风险的问题,提出了一种采用间接控制点控制目标点温度的设计方法,并以某卫星展开机构的热控设计为例,对关键机构部位的热控设计进行了阐述。仿真分析、地面热试验与在轨数据结果均表明:该间接热控设计方法能够满足机构产品的控温需求,展开机构的顺利展开验证了此方法的正确性和合理性,可为以后机构产品的热控设计提供借鉴。