姿控发动机技术成就与发展

国内姿控发动机的研究伴随我国航天事业的发展走过了四十多年的历程。本文概述了我国在姿控发动机领域的研制成就,总结了多年来11所在姿控火箭发动机及其组合件方面的研制经验,提出了今后的发展方向。     

国外复合材料推力室技术研究进展

介绍了国外姿控轨控发动机复合材料推力室研究进展，包括推力室复合材料性能、复合材料推力室成形工艺、复合材料推力室连接技术。与难熔金属推力室相比，它具有密度低、使用温度高、无需冷却等优点，可大幅度减轻发动机结构质量，提高发动机比冲，在国外姿控轨控发动机上得到广泛应用。     

小推力推进系统起动过程的分析

本文对小推力推进系统各部件建立了数学模型，并对此系统进行了数值计算。计算结果表明，在燃烧时滞较大时，该系统响应较慢，发动机参数的超调量较大，达到稳态所需的时间较长；轨控发动机与姿控发动机共用同一个供应系统时，姿控发动机受燃烧时滞的影响更大。减小燃烧时滞有利于提高发动机在起动过程的响应能力和稳定性。在起动阶段，高室压推进系统比低室压推进系统响应快，高室压轨控发动机的参数能较快地稳定下来，但其超调量较大；高室压姿控发动机虽然响应快，但其超调量大，达到稳态所需的时间长于低室压姿控发动机。本文所得结论为提高小推力推进系统在起动过程的响应能力提供了参考。     

可用于战术导弹的针栓喷管发动机技术

针栓喷管发动机是国外正在研制的一种固体火箭发动机。它所采用的针栓式喷管是在一个普通的喷管的喉部插入一个由先进材料制成的可移动栓棒，栓棒的前后移动改变了喷管喉部的横截面积，引起燃烧室内压强变化，进而使发动机推力改变。这种变推力发动机能为导弹提供随控推力和随控飞行速度，增大导弹的射程，缩短打击时间，增加任务的灵活性和实施精确打击的能力。     

新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案研究

介绍了国外新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统发展现状,提出了一种新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案,介绍了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统特点并分析了新型发动机系统关键技术,开展了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统研究,掌握了主要组件设计技术,获得了活塞泵增压系统仿真特性。     

推力可控固体火箭发动机应用及发展

介绍了固体火箭发动机推力控制的多种技术方案及可控推力室在姿控，轨控发动机领域中的应用。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

潜射弹道导弹轨姿控发动机方案选择

潜射弹道导弹对轨姿控发动机结构小型化、使用维护性能和贮存安全性提出了很高的要求.本文分析了各种轨姿控发动机的发展现状和它们在潜射弹道导弹上应用的可能性和局限性,并结合我国轨姿控发动机技术发展水平,提出了未来我国潜射弹道导弹轨姿控发动机发展前景和需重点开展的研究工作.     

上面级动力系统发动机热控设计及验证

针对上面级动力系统发动机温度需求,设计了发动机热控方案,建立了25、5 000 N发动机热仿真模型,确定了各发动机加热功率及被动包覆方式,解决了加热器尺寸小、电阻值密度大以及热控组件安装方式难等问题,上面级发动机随整箭进行了热试验验证和飞行试验验证。验证结果表明:25 N发动机法兰和5 000 N发动机壳体温度均在5 ℃以上,发动机温度水平和加热功耗均满足系统要求,验证了热控设计的有效性,可为类似发动机热控研制提供一定参考。     

配合间隙对同轴线对开双喷管结构轨控发动机性能的影响

所描述的轨控发动机采用同轴线对开双喷管结构设计,通过对不同工况、不同间隙条件下轨控发动机的流场进行数值模拟,得到了间隙对发动机燃烧室压强、推力等性能参数的影响规律。研究结果表明,当轨控发动机的转子配合间隙不断减小时,推力调节室总压随之不断增大,质量流率不断减小,发动机的推力调节特性变优。     

三轴稳定深空探测器的自主姿态制导

针对深空探测器定向任务、定向手段和姿态约束的多样性,需要为探测器制订多种三轴姿态定向方案;同时深空环境对姿态敏感器选用造成了限制,使得从控制回路外部引入参考姿态指令成为必然.对此提出姿态制导的概念,给出了参考的姿态参数的星上实时计算方法,该算法利用自主导航信息,从矢量代数和矢量运动学的途径给出了定向任务所需的参考姿态和参考姿态角速率.制导方法经过了小天体探测多任务模式姿态控制数学仿真与演示的验证,能满足多种定向方案对姿态控制指令提出的算法通用、实时计算、便于星上自主实施的要求.     

卫星姿态控制稳定度对星座结构稳定性的影响

针对三轴姿态稳定卫星,推导了在考虑航天器姿态控制偏差时轨道控制偏差的计算公式。在考虑脉冲推力情况下得到了存在姿态控制偏差时的轨道控制误差,并分析了姿态控制稳定度导致的轨道参数偏差对星座结构稳定性的长期影响。最后对姿态控制稳定度导致的星座结构稳定性的长期影响进行了仿真分析。     

基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。     

空间拦截器姿态控制系统变结构控制规律研究

结合空间拦截器的姿态控制问题,本文介绍了一种对系统参数摄动和外在不确定性干扰具有鲁棒性的变结构控制律。在此基础上,研究了当控制信号幅值受限的情况下,非线性系统的变结构控制律的设计问题。此方法考虑了空间拦截器姿控发动机推力幅值受限这一实际情况,提出了基于姿态角双包络线概念的实用姿控方法。因此,更符合系统实际的运行情况。仿真结果证明了此方法的有效性。     

H2 optimal control solution for a combined energy and attitude control system

This addendum is an extension of a series of research work on the combined energy and attitude control system (CEACS) for small satellites. Previous works appeared in Acta Astronautica showed that the CEACS is able to simultaneously perform the attitude control and energy storage task. This addendum focuses on the CEACS attitude control enhancement by employing the H₂ optimal control method. Governing equations describing the CEACS H₂ attitude control architecture are established. Numerical treatments are performed in order to validate the attitude control option.     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理,建立载荷舱与平台舱姿态模型,推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上,为提高平台舱姿态跟踪速度,设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步,为提高两舱协同控制性能,对传统PD控制进行改进,提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律,将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中,有效降低了两舱碰撞风险,提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明,本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向,且能避免两舱碰撞。     

Distributed attitude synchronization of formation flying via consensus-based virtual structure

This paper presents a general framework for synchronized multiple spacecraft rotations via consensus-based virtual structure. In this framework, attitude control systems for formation spacecrafts and virtual structure are designed separately. Both parametric uncertainty and external disturbance are taken into account. A time-varying sliding mode control (TVSMC) algorithm is designed to improve the robustness of the actual attitude control system. As for the virtual attitude control system, a behavioral consensus algorithm is presented to accomplish the attitude maneuver of the entire formation and guarantee a consistent attitude among the local virtual structure counterparts during the attitude maneuver. A multiple virtual sub-structures (MVSSs) system is introduced to enhance current virtual structure scheme when large amounts of spacecrafts are involved in the formation. The attitude of spacecraft is represented by modified Rodrigues parameter (MRP) for its non-redundancy. Finally, a numerical simulation with three synchronization situations is employed to illustrate the effectiveness of the proposed strategy.     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题,提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法,提高了控制精度,缩短了控制周期,并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型,然后给出其补偿控制时间设置方法,并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律,同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律,最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明,相较于传统的纯磁控方法,联合控制方法能够有效提高控制精度,大幅度缩短控制周期。     

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。     

一种高超声速飞行器的鲁棒解耦控制方法

高超飞行器的再入非线性动力学模型具有参数不确定性和外部干扰,针对这种情况基于奇异摄动理论提出了鲁棒内环外环解耦控制方案.控制系统的外环基于自适应模型参考设计简单解析的虚拟控制律,实现二阶模型动态跟踪气流系角,抑制三通道运动耦合和干扰的影响,避免了在线实时求逆计算.强耦合的内环采用动态逆跟踪虚拟的角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰和不确定性,并基于模型预测控制策略解决辅助轨迹线性化的时变控制器设计和输入约束,提高内环的鲁棒跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.