嫦娥五号飞行试验器服务舱环月期间的角动量管理

对环月地轨道环绕卫星所受重力梯度力矩进行了分析.在分析的基础上,利用在轨飞行数据得到卫星实际质量特性,并设计俯仰姿态偏置的方法,实现卫星重力梯度配平.通过嫦娥五号服务舱的实际在轨飞行,证明重力梯度配平方法可以降低星体所受重力梯度力矩,达到延长卸载周期的目的.     

高阶重力和力矩对空间太阳能电站运动的影响

相比于传统卫星,空间太阳能电站具有超大的尺寸,高阶重力和重力梯度对其轨道和姿态运动的影响将不能再忽略.文中以地球同步拉普拉斯轨道上的太阳塔式空间太阳能电站为例,研究了在考虑地球扁率的引力场中,高阶重力和力矩对空间太阳能电站姿轨运动的影响.首先将空间太阳能电站的重力势函数进行泰勒展开,并保留至四阶项;然后求出电站所受到的重力和重力梯度力矩,并给出其轨道和姿态运动方程;最后通过数值仿真来分析不同阶次的力和力矩对轨道运动的影响.结果表明:高阶力对卫星轨道的影响较大,可达到百米量级;高阶力矩对卫星姿态运动影响则较小,可忽略不计.     

应用变速控制力矩陀螺的微小卫星大角度姿态机动控制

研究了变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的微小卫星多目标快速姿态机动的控制问题.控制力矩陀螺(CMG)可以在不增加功耗、质量和体积的条件下为微小卫星提供独特的控制力矩、角动量和姿态机动能力,这有助于微小卫星变得更加机动灵活.首先建立了以变速控制力矩为执行机构的航天器姿态动力学模型,采用修正Rodrigues参数描述姿态.在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器.以采用VSCMG为执行机构的某微小卫星为例进行了数值仿真,结果表明卫星在机动中达到了快速和稳定的要求,提出的非线性姿态反馈控制器有很好的鲁棒性和有效性.      

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律，建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型，推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解，对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析，并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下，当卫星绕最大主惯量轴自旋时，给出了自旋角速率取值范围表达式，在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动，自旋轴以恒定的平均角速率进动，章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

三轴稳定地球卫星外形、结构布局的力学设计

三轴稳定地球卫星在轨道上正常运行时,受到的主要外干扰力矩为气动、重力梯度、太阳辐射和电磁力矩。而它们都是由卫星的轨道参数、外形、星上设备的结构布局和磁矩所确定。因此,对要求在不同轨道上工作的卫星,应有不同的外形、结构布局和磁矩的力学设计,使作用在卫星上的外力矩最小,且是静稳定的。本文即汇总一些近年来这方面的工作体会,从对上述四种力矩的计算分析出发,提出四种轨道(400公里以下;400～800公里;1000公里左右;地球同步轨道)高度的卫星外形、结构布局的力学设计。     

火星环绕器环火轨道的角动量管理方法

针对中国首次火星探测的任务需求和规划，结合环绕器质量特性和布局构型以及大椭圆轨道特性，分析了环绕器在环火飞行阶段所受的重力梯度力矩和光压力矩规律.空间干扰力矩累积导致飞轮转速上升，影响姿态机动能力，需要喷气卸载.为减少喷气卸载次数，在满足系统任务的基础上，设计了姿态偏置方案，利用光压力矩和重力梯度力矩相互抵消减少角动量累积.通过仿真表明该方法可以将空间干扰力矩累积量减少70%，节约卸载喷气的燃料消耗，延长航天器寿命.     

带偏置角动量轮的卫星姿态协调控制

<正> 一、前言目前单个偏置角动量轮已广泛应用于各种中、高轨道卫星(通信卫星、气象卫星、科学卫星等)的姿控系统中,其中大多数与喷气机构相配合,实现对地三轴稳定的姿态控制。采用这种结构形式的姿控系统,其优点是简单可靠,长寿命,具有一定的控制精度。利用飞轮的控制力矩,可以线性连续地调节卫星的俯仰姿态,这个问题比较简单,本文     

多用途重力梯度和磁控三轴稳定小型卫星公用平台

首先介绍重力梯度稳定小型卫星的突出特点：结构简单,可靠性高,成本低,研制周期短,质量轻;其次论述重力梯度小型卫星平台可能达到的技术性能指标;最后探讨了四种三轴姿态稳定小型卫星公用平台。     

磁力矩器的刚度控制技术及应用

使用磁力矩器控制俯仰轴带有偏置动量的卫星的姿态时,沿地磁场方向的控制力矩无法保证.刚度控制策略利用磁力矩器产生控制力矩,加速动量矩矢量绕轨道法线方向的旋转速度,使进动控制方向更快的与地磁场方向分离,进入进动控制的有利位置.针对运行在太阳同步轨道的偏置动量卫星,推导了加入刚度控制项后,其俯仰轴磁矩的表达式.利用蚁群算法ACA(Ant Colony Algorithm)对磁力矩器控制策略中进动反馈系数,章动反馈系数,刚度反馈系数3个反馈系数及相关的3个系数进行了寻优,利用优化的结果进行仿真实验.通过比较刚度控制策略和经典控制策略的仿真试验结果,证明在长期外部干扰力矩下,采用刚度控制可以改善进动控制效率,提高姿态控制精度.      

转动载荷对卫星姿态的影响与控制研究

研究带有转动载荷和挠性附件的卫星姿态控制问题.基于具有广义坐标形式的牛顿 欧拉方法建立了卫星姿态动力学模型和转动载荷力矩模型,研究载荷产生的动不平衡力矩和静不平衡力矩的机理和特点.分析载荷干扰对卫星姿态的影响特性,给出基于传递函数进行拉氏变换以估算姿态抖动量的方法.分析卫星姿态控制系统设计干扰补偿控制器的条件,给出了控制器的工程设计方法.验证结果表明该方法有效且能提高卫星姿态精度.     

Impact of the orbital eccentricity on the attitude performance before and after the deorbiting phase for Alsat-1

Due to the presence of periodic forcing terms in the gravity gradient torque, orbit eccentricity may produce large response for the roll, yaw and pitch angles. This paper investigates the influence of the orbit eccentricity on the performance of the attitude determination and control subsystem (ADCS) pointing of passive Low Earth Orbit (LEO) satellites stabilized by a gravity gradient boom or having long appendages before and after the deorbiting operation. The contribution of this work is twofold. First, the satellite attitude dynamics and kinematics are modeled by introducing the orbit eccentricity in the equations of motion of a LEO satellite in order to provide the best scenario in which satellite operators can keep the nominal functionality of LEO satellites with a gravity gradient boom after the deorbiting operation. Second, a Quaternion-based Extended Kalman Filter (EKF) is analyzed when the orbit eccentricity is considered in order to determine the influence of this disturbance on the convergence and stability of the filter. The simulations in this work are based on the true parameters of Alsat-1 which is a typical LEO satellite stabilized by a gravity gradient boom. The results show that the orbit eccentricity has a big influence on the pointing system accuracy causing micro-vibrations that affect the geocentric pointing particularly after the deorbiting phase. In this case, satellites have no orbital correction option. The Quaternion-based Extended Kalman Filter analyzed in this paper, achieved satisfactory results for eccentricity values less than 0.4 with respect to pointing system accuracy. However, singularities were observed for eccentricity values greater than 0.4.     

重力梯度小卫星重力场捕获的Lyapunov法

探讨了重力梯度小卫星采用主动磁控技术进行重力场捕获的Ｌｙａ－ｐｕｎｏｖ能量耗散法;给出了分区控制的条件及逻辑;阐述了磁控力矩的产生方法。仿真结果表明,该方法简单、有效,控制精度达到磁控小卫星的较高水平。     

Attitude control actuator scaling laws for orbiting solar reflectors

The rapid evolution of in-orbit manufacturing will enable the fabrication of low-cost, large-scale space structures. In particular, the use of 3D printing technologies will remove traditional payload constraints associated with launch vehicles, due to fairing size and launch loads, thus allowing the construction of larger and lighter structures, such as orbiting solar reflectors. These structures will require efficient attitude control systems, able to provide the necessary torque for maneuvers and to counteract perturbations, such as gravity gradient and solar radiation pressure. In this paper, a top-level overview of actuator performances for orbiting solar reflectors is provided, and scaling laws associated with the required actuator mass and input power are developed. For each class of actuator, upper bounds on the maximum size of the structure which can be effectively controlled are presented. The results can also be extended to other classes of large planar Earth-pointing structures such as solar power satellites, solar sails, or large antennae.     

俯仰阻尼导数分量的CFD数值模拟

提出一种直接求解直接阻尼导数的方法,该方法不仅适用于轴对称外形,也适用于非轴对称外形.数值模拟飞行器的非定常强迫沉浮运动和强迫角振动,并在Etkin的非定常气动力模型基础上,辨识得到飞行器的洗流时差导数和俯仰阻尼导数,研究飞行器俯仰通道各阻尼导数的数值计算方法.对弹道外形和基本带翼导弹标模外形及Hyflex升力体外形进行研究分析表明,将阻尼导数分量相加得到的俯仰阻尼导数与直接求解强迫角振动得到的俯仰阻尼导数与试验结果吻合很好,各阻尼导数分量随质心位置的变化趋势也与理论预测相符.对于带翼飞行器,超声速条件下,洗流时差导数在俯仰阻尼导数中占主导作用.      

Super-helix model: a physiological model for gravitaxis of Paramecium.

A new model explaining the gravitactic behavior of Paramecium is derived on the basis of its mechanism of gravity sensing. Paramecium is know to have depolarizing mechanoreceptor ion channels in the anterior and hyperpolarizing channels in the posterior of the cell. This arrangement may lead to bidirectional changes of the membrane potential due to the selective deformation of the anterior and posterior cell membrane responding to the orientation of the cell with respect to the gravity vector; i.e., negative- and positive-going shifts of the potential due to the upward and downward orientation, respectively. The orientation dependent changes in membrane potential, in combination with the close coupling between the membrane potential and ciliary locomotor activity, may allow the changes in swimming direction along the otherwise simple helical swimming path in the following manner: an upward shift of the axis of helical swimming occurs by decreasing the pitch angle due to channel-dependent hyperpolarization in upward-orienting cells, and an upward shift of the swimming helix occurs by increasing the cell's pitch angle due to depolarization in downward-orienting cells. Computer simulation of the model demonstrated that the cell can swim upward along the "super-helical" trajectory consisting of a small helix winding helically along an axis parallel to the gravity vector.     

基于试验气动力的纵向机动飞行载荷分析

提出了一种基于非线性风洞试验数据(简称试验气动力)同步进行纵向机动飞行过程和飞行载荷的计算分析方法.通过曲面样条插值将试验气动力的升力系数和俯仰力矩系数引入纵向机动飞行过程的计算,同时基于试验气动力的压力分布进行全机飞行载荷的静气动弹性修正.弹性载荷的计算采用线性气动力影响系数矩阵处理.采用偶极子格网法提供气动力(简称理论气动力).将基于这两种气动力的计算结果进行了对比.结果表明:基于试验气动力的机动飞行过程更为合理;基于理论气动力的载荷随机动飞行过程的变化趋势有可能与基于试验气动力的载荷变化趋势不一致.      

悬停状态下小型共轴直升机操纵响应特性分析

从在研共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了悬停状态下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;引入干扰因子到动态入流模型,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从桨叶的挥舞动力学模型出发,利用四阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停状态,总距突增时上下旋翼升力和扭矩的动态响应特性,并分析比较了半差动和全差动航向控制方式的操纵响应差别,为共轴式直升机机动特性的研究作了必要的准备.      

间隙非线性气动弹性颤振控制

研究了亚音速不可压来流中二元机翼气动弹性颤振主动控制问题.采用Theodorsen准定常气动力建立俯仰方向含有间隙非线性的气动弹性动态方程,然后基于状态依赖Riccati方程推导了非线性颤振控制律.假设只有俯仰角位移和控制面偏转位移可以直接测量,状态空间中的其它变量通过所设计的状态观测器进行了估计.仿真结果显示,观测器可以快速准确地对非直接测量变量进行估计,系统状态变量与控制变量都能够迅速地收敛于零点,表明所设计的控制律可以有效地实现对间隙非线性二元机翼颤振的抑制.      

基于双GPS接收机的精密定向研究

GPS定位系统除了可以进行定位、测速和授时外 ,还可以利用两个或多个GPS测量值进行方位测量和三轴姿态测量。文章对利用两块GPSOEM板同步接收的载波相位观测量来精密测定方位进行了深入研究。首先利用载波相位的双差观测方程 ;再根据两个天线间距离已知这个条件 ,对方位和俯仰进行二维搜索 ,并采用了模糊度函数作为搜索的判断依据 ;最后根据最小二乘计算出两个天线的基线矢量 ,从而最终计算出精密的方位值和俯仰角。经过大量的试验表明 ,该算法是切实可行的 ,在 5m基线下 ,方位精度达到 0 0 8°,而且定向时间一般只需 1min左右