液体推进剂在轨剩余量测量方法研究进展

介绍了在轨航天器液体推进剂剩余量测量技术国内外研究进展,并展望了未来的研究方向。首先简要介绍了造成微重力条件下液体推进剂剩余量测量困难的原因;接着回顾了液体推进剂剩余量测量技术的发展脉络,将其技术发展分为技术萌芽、技术成熟和新技术探索三个阶段;然后从基本原理、误差分析、研究进展等方面综述了常用的簿记法(Book-Keeping,BK)、压力体积温度法(Pressure-Volume-Temperature,PVT)和热量激励法(Thermal Gauging Method,TGM)等液体推进剂在轨剩余量测量技术,对比分析了各种方法的优缺点;最后,展望了液体推进剂在轨剩余量测量技术的发展方向:一是利用不同测量技术在不同卫星寿命期间具有不同测量精度的特点,将多种测量技术进行结合,以提高整体测量精度;二是开发适用于卫星全寿命周期高精度测量的新方法。     

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。     

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。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

在轨冷气推进系统泄漏估计

针对近地卫星长期管理与测控中冷气推进系统的泄漏问题,在轨道动力学数据基础上分析光照角漂移与半长轴衰减变化,利用气态方程对推进剂的泄漏率进行估计,进而对剩余推进剂进行预测,并对冷气泄漏造成的姿态扰动进行估计,同时在公式推导基础上对泄漏率估计进行计算误差分析,结合实际在轨的压力、温度等遥测数据进行检验。结果表明,在压力接近13MPa的初始条件之下,冷气推进系统的工质泄漏率在入轨的约前5y的时间里大致在150~450Pa·cm~3·s~(-1)之间振荡变化,在之后的时间里渐趋于275Pa·cm~3·s~(-1)稳定,与之对应的稳定的氮气质量泄漏率约为3.4μg/s;在轨10y时,推进剂质量的剩余率大于85%,预测入轨30y后的剩余率仍然优于60%;姿态角、磁力矩器电流、动量轮转速等数据表明冷气泄漏对卫星姿态扰动很小,可忽略不计。估计与预测结果可应用于在轨航天器长期管理与遥测诊断辅助、器件健康状态评估。     

低重力下预报推进剂剩余量的探索

概述了低重力条件下预报推进系统贮箱内推进剂剩余量的意义及特点，并简单评述了目前预报推进剂剩余量的常规技术和国外的一些先进技术，同时介绍了作者目前正在编制的“低重力条件下预报推进剂剩余量的通用软件”。     

一种基于物联网技术的宇航智能家居系统设计

为满足未来载人航天器可能的在轨工作生活需求,提出了一种基于物联网技术的面向载人航天器的智能化、网络化、商业化的宇航智能家居系统设计方案。该方案研究了宇航智能家居系统的总体方案及协议架构,详细规划设计了宇航智能家居系统功能,并分析了系统设计方案可行性,有助于提升载人航天器人机交互的高效性、便捷性、舒适性及智能性,为在轨航天员提供更加宜居的在轨工作生活环境支持。     

载人航天器稳态噪声测量试验方法研究

为在地面研制期间对载人航天器密封舱内稳态噪声进行有效测量以减小在轨技术风险,理论推导了背景噪声对测量结果的修正值,基于试验影响域、噪声源识别及噪声传播路径分析结果,提出了测量仪器要求,研究了稳态噪声测量方法和试验流程,经载人飞船地面模拟飞行试验验证,轨道舱内稳态噪声测量结果与在轨实测值相差1.4 d B,二者吻合较好。     

基于卫星推进剂剩余量测量的热容法数值仿真

由于具有主动热源的输入,与传统PVT方法相比,热容法在卫星寿命末期具有较高的推进剂剩余量测量精度。为了获得地面条件下准确的热分析模型,对某型号1407L网式表面张力贮箱在地面条件下应用热容法进行数值仿真。通过数据分析,并与地面试验结果进行比对,验证了热分析模型的有效性,获得了地面环境下准确的热分析模型,为热容法的后续深入研究和在轨应用提供了参考。     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

液体推进剂在轨加注技术与加注方案

梳理了推进剂空间加注的关键技术,介绍了不同流体空间加注的系统组成与加注程序,提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①气液相分离是实现推进剂空间加注的基础,常温推进剂可采用挠性隔膜或叶片式贮箱实现气液分离,而金属网状膜通道式液体获取装置（LAD）在低温流体空间分离领域效果最佳;②低温推进剂空间加注需要结合空间热防护技术、蒸发量控制技术等;③常温推进剂采用排气型空间加注,低温推进剂采用无排气加注,且可借助热力学排气系统实现大充灌率加注;④我国可按照先常温后低温的思路开展研究,并充分借鉴现有实验平台与研究成果的支持.      

载人航天器在轨自主健康管理系统体系结构及关键技术探讨

针对载人航天器复杂化、任务多样化、在轨运行长期化的发展趋势,及由此对航天器在轨自主健康管理的能力提出的更迫切的需求,提出了一种在轨自主健康管理系统分层体系结构,并采用Observe-Orient-Decide-Act循环描述健康管理子行为之间的交互模型,可实现准确、高效的自主健康管理。并以空间站系统为例,研究了分层分级的服务部署、分类故障诊断、故障模型配置、基于构件的软件实现等关键技术。     

重型火箭下面级发动机基本参数分析

分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了任务要求以及一套重型火箭箭体结构方案.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案,包括推力量级、推进剂以及发动机循环方式的选择.采用面向对象的通用顺序化计算方法,建立发动机系统仿真模型,计算得到9个发动机方案的最高室压及功率平衡参数,分析了燃烧室压强和混合比对发动机性能的影响.经综合分析,建议重型火箭下面级发动机可选择推力4 500～5 000 kN富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机.      

长期在轨贮存低温推进剂过冷度获取方案研究

增大低温推进剂入轨时的过冷度可显著延长低温燃料在轨贮存期限.通过文献调研与理论分析,介绍了4种低温推进剂过冷度获取方案的工作过程与研究现状,分析了不同方案的优缺点,在此基础上提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①为了减小过冷度获取成本,应采用先加注后冷却的操作程序,且制冷系统尽可能靠近目标贮箱;②液氧、液态甲烷可通过液氮池沸腾提供过冷度;③氦气喷射预冷消耗氦气量巨大,建议仅针对小型液氢采用此技术;④热力学低温流体过冷器(TCS)技术具有总体质量轻、投入能量少等优点,在液氢过冷度获取方面具有可观的应用前景.可为我国开展低温推进剂过冷度相关研究提供参考.      

Energy and power

Energy sources for aerospace systems include electrochemicals, mechanical rotation, solar illumination, radioisotopes, and nuclear reactors. Energy is converted to power with engines, turbines, photovoltaics, thermoelectric and thermionic devices, and electrochemical processes. Although some early spacecraft flew with battery power, for longer flights the choice has been either solar or nuclear. Manned spacecraft must have power for the total mission duration including boost into orbit, on-orbit, and subsequent re-entry. Batteries are too heavy for extended manned space missions; tradeoff study alternatives range from radioisotope heated thermionic converters to hyperbolic-fueled engines. Arrays of solar cells are the obvious choice for powering space stations and for other extended-duration missions. This article emphasizes developments for space and airplane power systems. Enabling technologies are described along with significant spin-offs and future systems     

筒式偏心在轨分离角速度抑制方法

筒式偏心在轨分离是一类特殊的在轨分离问题,小卫星偏心安装而产生的分离力矩将导致分离角速度,进而影响小卫星的分离指向精度,甚至导致释放平台姿态失稳。而常规的姿态大角速度机动、姿态快速稳定控制方法难以在小卫星出筒前的极短时间内完成分离角速度抑制。因此,进行了卫星筒式偏心在轨分离动力学分析,基于分离角速度的产生,提出了抑制分离姿态干扰的前馈控制力矩法和角速度预偏置法。在此基础上,推导了关键控制参数的近似计算公式,给出了控制量的优化求解方法,并分析了控制干扰因素对抑制结果的影响。最后,通过仿真算例分析,对比验证了两种抑制方法的有效性,并给出了其工程应用的建议。     

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。     

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。