低温推进剂在轨贮存与管理系统方案研究

为解决空间恶劣热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,低温推进剂在轨贮存与管理系统应具备绝热、贮箱压力控制、推进剂管理、热量转移及制冷等功能。以载人月球探测任务、载人火星探测任务中低温轨道转移级为背景,阐述了低温推进剂在轨贮存与管理系统的方案:低温贮箱采用泡沫+多层隔热材料复合结构、基于碳纤维复合材料的V20型杆系连接支撑结构、可充填式启动篮推进剂管理装置等方案;载人月球探测任务中低温轨道转移级压力控制可采用推进剂沉底排气方案;对于载人火星探测任务,低温轨道转移级压力控制可采用热力学排气方案,并采用低温制冷机主动制冷。     

一种以燃耗为优化目标的航天器在轨加注作业调度

针对基于空间燃料站的多目标航天器在轨加注任务,以GEO航天器为加注对象,对"多对多"模式的航天器在轨加注作业调度问题进行研究。首先以轨道转移燃耗为优化目标,考虑时间、燃料等约束条件,建立了在轨加注作业调度问题的数学模型。模型中,通过设计优化变量,结合多圈Lambert问题中速度增量与转移时间的关系,将航天器在轨加注作业调度问题转换成整数规划问题,在此基础上,采用遗传算法对其求解。然后以14颗GEO轨道航天器作为目标航天器进行数值仿真计算,并对仿真结果进行分析,验证解的正确性以及算法的可行性,结果表明算法能够有效地解决基于空间燃料站的在轨加注调度问题。     

面向载人月球探测任务的月面机器人系统初探

未来有人参与的月面活动将更加复杂和多样化。针对载人月球探测任务对月面机器人系统的需求,介绍了空间机器人的发展现状,提出了我国月面活动按机器人先导探测、人机联合探测、远期科研站建设分步开展的设想,论证了月面活动不同发展阶段对机器人系统的任务及能力需求,按有限规模、多功能集成的原则提出了各阶段机器人配置设想,分析了月面机器人系统发展在移动、操作、感知、交互、环境适应性方面需解决的关键问题。     

载人深空探测虚拟生活舱概念研究

载人深空探测任务中,航天员对生存空间的需求大小在很大程度上决定了任务规模和成本。针对该问题,根据实际生活中数字空间一定程度上能够替代实体空间的现象,提出了虚拟生活舱的概念,对虚拟生活舱的空间需求、功能定位等进行了初步的构想;并对载人火星探测任务虚拟舱的规模和质量进行了估算分析,结果表明,引入虚拟生活舱会使飞行器总规模降低22%。最后,对虚拟生活舱涉及到的关键技术进行了梳理,为日后的研究提供参考。     

“秋千式”月面下降/上升单级可重用运输系统概念设计

针对未来载人月球探测的任务需求,提出了"秋千式"月面下降/上升单级可重用运输系统的概念设计方案。对运输系统组成与功能、任务过程、方案可行性以及发射成本进行了分析,并提出了方案面临的技术挑战。结果表明:相比阿波罗计划,方案中单次载人探月任务发射质量可减少至原来的1/3以内,月面下降/上升速度增量需求也能降低1/2以上;可重用运输系统能有效增加任务次数,充分提高任务的经济性,且在强度和轨道设计方面初步具备可行性。     

基于MBSE的月球科研站任务分析

月球探测在完成“绕落回”三步走后，从单点短期探测向建设月面基础设施的月球科研站长期探测转变，给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求。本文采用基于模型的系统工程（MBSE）思想，提出适宜的基于模型的月球科研站系统分析正向流程，以系统模型作为载体依次深入剖析任务总体、任务使命需求和任务应用场景。通过开展基于模型的月球科研站任务分析，初步实现了月球科研站任务分析过程正向化、设计要素定义全量化、设计要素之间的关联表达显性化、月球科研站工程总体单位下发的研制要求有源化。     

载人航天空间天文领域发展综述

在分析载人航天空间天文领域优势和局限性的基础上,讨论并综述了礼炮号空间站、天空实验室、和平号空间站、空间实验室、国际空间站、以及阿波罗月球探测等航天工程开展的空间天文项目。介绍了我国神舟二号首次空间天文探测和天宫二号伽玛暴偏振探测仪,总结分析了载人航天空间天文在轨服务的发展趋势。研究表明,载人航天飞行器非常适合开展空间天文多波段观测,我国未来应充分利用载人空间站等平台的综合优势,开展先进的大规模空间天文前沿探测。     

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

基于深度图推理的卫星背板部件检测方法

在轨加注是一种典型的在轨服务操作,它对于降低空间运输成本和任务风险起着重要的作用,视觉感知系统可以感知操作任务周围环境并提供给控制系统。目前在轨加注依赖于人,在人员监控下完成或通过遥操作完成,缺乏自主性。本文围绕未来高自主性的基于深度强化学习的在轨加注方法,对基于深度学习的视觉感知方法展开了研究,针对基于深度学习的方法对相似实例的检测存在精确率低、对光照变化敏感等缺点,提出了基于深度图推理的卫星背板部件检测方法。提出的方法可以有效地检测复杂形状的目标,不依赖于手工设计的特征;提高了复杂光照环境下部件的检测正确率;可以有效区分外形相似的不同部件;其有效性在数学仿真和物理仿真中均得到了验证。     

一种微型载人操作舱系统设计

针对未来载人深空探测任务中太空基地建造、设施在轨加工制造、星体资源抵近勘探和原位利用等复杂舱外操作需求,设计了一种微型载人操作舱系统。首先,根据舱外操作任务开展功能和性能需求分析,确定了微型载人操作舱的供配电、环控生保、测控通信等功能基线;然后进行了结构、能源、环控生保、热控等系统设计;最后,通过仿真分析了重量、功耗和任务时间,并与传统舱外活动装备进行了比较。结果表明,微型载人操作舱总重量小于900 kg,可容纳1名航天员,单次舱外操作时间大于12 h,支持航天员从母体航天器快速进入操作舱执行舱外任务,适用于未来复杂的空间设施建造、资源开发利用和空间站扩展应用任务。     

载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术

在载人航天工程交会对接任务中,基于对载人飞船推进剂剩余量在轨实时高精度测量需求的背景,采用理论分析和试验验证相结合的方法,研究了剩余量直接在轨测量技术原理、影响测量精度的因素及解决措施等问题。研究表明,在轨推进剂剩余量直接测量系统方案具有易于实现,测量精度高,同时能够实时、直观反映系统中各贮箱推进剂消耗情况等特点。     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

空间在轨装配技术综述

代表国家科技实力的空间站、空间望远镜、大型通信天线、空间太阳能电站、在轨燃料补给站、深空探测中转站及地外基地等空间大型平台和基础设施的建设需求日益迫切,如何对此进行智能自主建造是当前的巨大技术挑战。鉴于大型平台与基础设施在未来空间探索中的重要性,国内外航天研究机构均提出并发展了在轨装配的系列技术方案。本文主要对在轨装配研究现状和技术发展情况进行系统地综述。首先分析了有人与无人在轨装配的国内外技术进展,总结了在轨装配技术的发展路线、装配层次与方法;然后在此基础上,详细梳理了在轨装配的技术需求和应用前景,并得出在轨装配的使能关键技术——模块化技术、机器人技术和地面模拟装配技术,预期为中国未来的空间在轨装配研究提供有益的参考。     

火星进入减速器技术综述与展望

随着火星着陆探测任务的不断推进,火星采样返回、载人登陆火星和火星基地等任务要求能将更大、更重的探测器着陆到火星表面,这就需要在火星大气进入阶段进行高效减速。基于以往成功的火星着陆探测任务,首先系统地回顾了火星进入段气动减速技术的发展历史;然后,结合火星进入过程的特点阐述了火星进入段减速设计的必要性及其面临的挑战;接着,系统地总结了充气式气动减速器、可展开式气动减速器和超声速反推减速器的系统构成和研究进展;最后,对这3种减速器技术的未来发展方向和亟待解决的关键问题进行了比较全面的分析和展望。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析

随着深空探测任务的发展,载人飞船规模不断加大,返回舱再入返回的质量越来越大,主要依靠降落伞方式减速的难度也随之增大.分析国外在研载人飞船研制特点,特别是国外载人飞船配置反推发动机的可行性,提出利用反推发动机实现制动着陆的方案设想,重点是反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态,以及反推发动机安装位置等对发动机推力、工作时间等参数分析.     

前言

正2021年既是中国共产党建党100周年,又是"十四五"开局之年、全面建设社会主义现代化国家新征程开启之年。站在新起点上,如何迈好第一步、走好新征程至关重要。随着我国航天科学技术的快速发展,深空探测、载人登月、在轨服务等重大战略任务对新一代航天运载器结构轻量化、智能化、集成化的需求日益提升,如何通过新结构、新机构技术发展推动我国航天运载器效能提升,是目前亟需科学界和工程界共同关注的议题。     

载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。首先，回顾了无人火星探测任务的发展历程，对比分析了部分无人火星探测器进入、下降与着陆（EDL）过程的参数。然后，结合无人火星探测、载人月球探测和载人航天再入过程，梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联/俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备。接着，归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星EDL过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。     

火箭在轨大尺寸、重负载交会对接技术研究

根据国内外空间交会对接技术的发展现状,以及我国深空探测任务的不断发展,提出研究火箭在轨大尺寸、重负载交会对接技术,满足我国航天事业的未来发展和规划复杂飞行任务的需求。重点对火箭在轨大尺寸、重负载交会对接的关键技术进行了梳理,通过分析认为火箭在轨大尺寸、重负载交会对接技术的研究复杂、难度大、周期长,因此其预研工作的开始已经迫在眉睫。     

月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。