RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

大型太阳帆干扰力矩消减方法

针对柔性太阳帆大变形引起姿态干扰力矩过大的问题,采用有限元方法对一种执行太阳极轨探测的150 m×150 m柔性太阳帆进行仿真分析,采用修正的压力加载方法降低了太阳帆在光压加载下的变形分析误差,获得了帆结构在大变形下由光压引起的干扰力矩。为降低干扰力矩量值、保证姿态稳定,提出了一种通过调整构型来降低变形量的方法,并通过仿真分析验证了该方法的有效性。     

太阳帆航天器被动姿态控制研究

针对由有效载荷、太阳帆和4个控制叶片所组成的太阳帆航天器系统,从物理模型出发,利用欧拉方程建立了姿态动力学模型,并通过数值仿真对太阳帆航天器基于控制叶片的对日定向性能进行了研究。研究结果表明,在行星际飞行中太阳帆航天器可以通过使控制叶片保持偏置来保持姿态稳定。     

混合小推力航天器轨道保持高性能滑模控制

针对采用太阳帆、太阳电混合小推力推进的航天器，研究了其在日心悬浮轨道的保持控制问题。为解决已有控制方法中未综合考虑内部未建模动态和外部未知扰动的问题，以及进一步提高系统控制性能，设计了一种高性能滑模控制策略。首先，考虑模型不确定性，建立了混合小推力航天器在日心悬浮轨道柱面坐标系的动力学方程；其次，基于改进型条件积分滑模面和径向基（RBF）神经网络设计了控制律，结合自适应方法在线估计不确定参数；接着，将求取的虚拟控制量在推进剂最优条件下转换成实际控制量，即太阳帆姿态角和太阳电推进力；最后，数值仿真验证了上述设计方法提高了系统鲁棒性，减小了轨道位置超调，并且混合推进相比于单一太阳帆推进，在更短收敛时间内控制精度提高了4个数量级，相比于单一太阳电推进，一年可以节省约89.6%的推进剂。     

太阳帆航天器在绕地轨道中的热诱发振动

太阳帆航天器在绕地轨道中将会周期性地进出地球阴影，经历热环境的剧烈变化，在热辐射冲击作用下，太阳帆这种大柔性空间结构的热致响应值得研究。以方形有桅杆式太阳帆为研究对象，考虑热辐射等非线性因素，建立了太阳帆的热-结构耦合动力学模型，分析了太阳帆桅杆-薄膜结构热诱发振动的特点和影响因素。分析结果表明：太阳帆由地球阴影区进入光照区将会发生明显的热诱发振动；随着热流入射角的增大，太阳帆桅杆截面的摄动温度减小，热诱发振动减弱，频率不变；太阳帆桅杆刚度的增大有利于抑制结构热诱发振动的发生；帆膜预应力将会影响太阳帆的热诱发振动，随着桅杆轴力增大，热诱发振动的振幅增大，频率减小，当轴力增大至一定程度，太阳帆的热诱发振动将会发散。     

飞翼飞机开裂式阻力方向舵铰链力矩的预测

飞翼布局无人机开裂式阻力方向舵是一新型操纵面。文中对开裂式阻力方向舵对飞翼的航向操纵特性进行了分析,建立了舵面受力模型和全面的航向舵容量计算公式。通过全机风洞测力试验数据分析证实该模型合理、正确。依据该受力模型将舵面铰链力矩和全机受力联系起来,建立了一种新的通过全机测力试验数据预测开裂式阻力方向舵铰链力矩的实用方法。最后通过风洞测压试验结果得到阻力舵铰链力矩,并与预测结果进行了比较。两者最大相对误差为15%,且舵偏角越大,误差越小。40°舵偏时误差仅为2.5%。     

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

太阳帆材料研究进展

太阳帆飞船由于无需动力等优势近年来引起了各国科学家的研究兴趣,并在深空探测领域具有重要的应用前景.太阳帆的结构设计和材料选择是影响其性能的重要因素,本文结合太阳帆飞行环境的特点,介绍了太阳帆的基本结构和飞行原理,重点针对目前几种比较典型的太阳帆设计,对其支撑材料以及帆面薄膜材料进行了综述,并分析了各种材料和设计的性能特点.     

基于平均轨道根数的飞船伴飞卫星控制方法

给出一种基于平均轨道根数的伴飞卫星控制方法。首先介绍二体轨道条件下利用超几何函数法解算二次冲量控制问题的基本思想,在此基础上通过n次修正法应用到摄动条件下的轨道模型;通过引入平均轨道根数的概念,对航天器编队构形进行控制,消除短周期摄动对轨道的影响,长期有效地控制构形维持。同时讨论对跟飞和圆形伴飞编队进行构形维持的起控条件的确定方法。     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

过驱动轮控卫星的动态控制分配方法

反作用飞轮在卫星姿态控制中具有重要作用,配置3个以上飞轮的卫星构成一类过驱动系统,能够提高姿态控制系统的可靠性.针对期望控制力矩到冗余飞轮的指令分配问题,提出了一种基于伪逆法的动态控制分配方法,并针对传统伪逆法难以考虑飞轮最大力矩等物理约束问题,采用零空间方法对传统伪逆法给出的分配结果进行了修正.基于稳定控制模式下姿态...     

Novel orbit-attitude combination mode for solar power satellites to reduce mass and fuel

Solar power satellite receives great attention because it can release the energy crisis and environmental problems in the future. However, the launch and maintenance costs are tremendous due to the large system mass and large fuel consumption to counteract space perturbations. To reduce mass and fuel, a novel quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit is proposed. The Sun-frozen orbit has a nonzero eccentricity vector that always points towards the Sun. The quasi-Sun-pointing attitude is a periodic solution of the Sun-pointing attitude angle. Although about 3 % electricity must be given up because of the variation of Sun-pointing attitude angle, little control action is required to deal with the solar radiation pressure and gravity-gradient torque. The algorithm to obtain initial conditions is proposed. The influences of system parameters and structural flexibilities are studied. Simulation results reveal that the quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit dramatically reduce fuel consumption, the dry mass, and complexity of the control system. In addition, structural vibration is hardly induced by the gravity-gradient torque. Thus, the bending stiffness as well as the mass of the supporting structure can be reduced.     

空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

 为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。     

Kalman Estimation and Control of Dual-Spin Satellites

lt is necessary to maintain the spin axis of dual-spin geostationary communications satellites with nontracking ground antennas to within 0.1 degree of the orbit normal by periodic attitude corrections. Normally, the data for attitude estimation are determined from the analog sensor waveforms telemetered to the ground station. This information is supplied to the attitude determination program, which processes the data and outputs the right ascension and declination of the spin axis. An application of the extended Kalman/ filter in estimating the attitude of dual-spin geostationary satellites is presented. The precession of the angular momentum vector by the solar radia-tion torque is considered to be the only natural attitude perturbation. The orbital dynamics are considered to be known and are decoupled from the attitude dynamics. A periodic attitude control policy is then derived.     

Solar sail attitude control using shape variation of booms

Active attitude control of solar sails is required to control the direction of the force generated by Solar Radiation Pressure (SRP). It is desirable to control the attitude through propellant-free means. This paper proposes a new method for attitude control of solar sails: A boom consisting of “smart” structural material can be deformed by the piezoelectric actuator, and Solar Radiation Pressure torque will be generated due to shape variation of sail membrane caused by boom deformation. The method has the advantages of simple structure, small disturbance and small additional load, and is not limited by the size of the solar sail. The case of rendezvous with the Asteroid 2000 SG344 is used to verify the attitude control around the pitch and yaw axes.     

空间翻滚非合作目标消旋技术发展综述

大量残存太空的空间垃圾对在轨运行航天器的安全构成严重威胁,对其进行主动移除已迫在眉睫。火箭末级、失效卫星等非合作目标已失去姿态调整能力,且长期在失控状态下运行,受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量等因素的影响往往会出现翻滚运动。对翻滚非合作目标直接捕获存在碰撞风险,为降低风险系数采取消旋后再捕获是较为合适的方式。在对火箭末级、失效卫星等典型非合作目标运动形式及消旋过程进行分析的基础上,综述了目前国内外所提出的接触式及非接触式消旋方法,并对非合作目标翻滚运动测量及动力学参数辨识和消旋控制这两项消旋共性关键技术进行了归纳总结。本综述将为中国空间碎片主动清除技术的发展提供有益参考。     

Cubesat solar sail 3-axis stabilization using panel translation and magnetic torquing

A Cubesat mission with a deployable solar sail of 5 meter by 5 meter in a sun-synchronous low earth orbit is analyzed to demonstrate solar sailing using active attitude stabilization of the sail panel. The sail panel is kept parallel to the orbital plane to minimize aerodynamic drag and optimize the orbit inclination change caused by the solar pressure force normal to the sail surface. A practical control system is proposed, using a combination of small 2-dimensional translation of the sail panel and 3-axis magnetic torquing which is proved to have sufficient control authority over the gravity gradient and aerodynamic disturbance torques. Miniaturized CMOS cameras are used as sun and nadir vector attitude sensors and a robust Kalman filter is used to accurately estimate the inertially referenced body rates from only the sun vector measurements. It is shown through realistic simulation tests that the proposed control system, although inactive during eclipse, will be able to stabilize the sail panel to within ±2° in all attitude angles during the sunlit part of the orbit, when solar sailing is possible.     

端柱面组合气膜密封系统稳态特性数值模拟与分析

针对端柱面组合气膜密封系统建立稳态特性的分析模型,给出基于有限元数值方法求解气膜压力分布的数值模拟方法和流程,实现端面、柱面区域的耦合求解,进而给出了端柱面组合气膜密封系统稳态特性数值模拟计算的方法.通过与Fluent软件仿真结果的比较验证数值模拟方法的正确性.重点研究膜厚与旋转轴转速对端柱面组合气膜密封系统稳态特性(端面气膜反力、柱面气膜反力、泄漏量、摩擦转矩)的影响,计算分析表明:随着膜厚的增加,泄漏量增加、摩擦转矩减小;随着端面膜厚的增加,端面气膜反力缓慢减小、柱面气膜反力出现极值;随着柱面膜厚的增加,端面气膜反力和柱面气膜反力都在减小;柱面膜厚对稳态特性的影响大于端面膜厚.端柱面结构中密封气膜压力的耦合对密封特性影响显著,稳态特性数值模拟方法的实现为动态特性分析提供了基础.