空间推进与电源系统轻量化的进展

空间推进与电源系统轻量化的进展朱毅麟推进与电源系统是构成航天器平台的两个重要服务系统。这两个系统都包含有机械部件和小量的活动部件。在小型科学技术试验卫星和深空探测器等小型航天器中，这两个系统的重量一般占航天器总重的６０％以上，研制成本占总成本的３０％...     

柔性航天器自由飞行状态系统基频的估算方法

首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程；重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式，得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式；然后结合目前航天器的常见构型，对一般公式进行合理简化，得到了估算航天器系统基频的简化公式；最后给出了简化公式的工程应用算例。     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

电推进航天器的特殊环境及其影响

文章介绍了应用离子和霍耳电推进系统在航天器周围产生的等离子体和电磁场等特殊环境,讨论了这些特殊环境对航天器各分系统或部件产生的溅射腐蚀、沉积污染、充放电、等离子体干扰、碰撞动力学扰动等影响效应,探讨了研究电推进与航天器相互作用效应的地面试验技术、空间飞行试验技术和模型分析技术,介绍了离子电推进系统与航天器相容性分析评价的技术要点。     

异构多星电磁编队静态构型设计与保持控制

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特性,可以推导一组关于编队各星质量与空间分布的静态构型必要条件,提出了一种参数降维的四面体构型设计方法,并基于所建精确电磁力模型,对静态构型解进行了非线性修正。针对编队闭环控制问题,设计了包含摄动前馈的滑模控制器,并使用精确电磁力模型修正磁矩,提高了磁矩分配的准确性。仿真结果表明,设计的四面体构型能够满足力和力矩平衡方程,基于精确电磁力模型的修正方法有效提升了构型设计与控制精度。     

采用系统模态时柔性航天器的混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考架时的柔性航天器动力学方程,然后选择连体坐标系为浮动参考架,解所得到的动力学方程的特征值问题,得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换,得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合坐标航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同,这时动力学方程中刚体运动和弹性运动已无惯性耦合。同时也和采用系统自由弹性模态不同,这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论文最后给出了两个算例。     

四轴型磁悬浮动量轮变结构控制

根据空间飞行器姿态控制用四轴主动控制型混合磁悬浮动量轮的动力学方程,采用变结构控制(VSC)法设计了一种多输入多输出系统控制器。二次型最优控制用于确定最终滑模运动方程,趋近律用于决定变结构控制输入,实现了磁悬浮动量轮快速稳定的鲁棒性控制。仿真结果表明,VSC的动静态特性较好,其滑模运动的不变性可有效消除陀螺力矩的影响,并能实现控制能量的优化。     

太阳能热推进系统效率分析

太阳能热推进采用小分子量气体作为推进剂可以获取800～900 s高比冲,但提高推进系统的换热效率是目前亟待解决的问题.本研究建立了太阳能热推进系统主要部件的基本分析模型,在利用有限单元法进行热分析的基础上,对系统在多种工况下的相关参数进行了计算,分析了各部件主要参数对提高太阳能热推进系统热效率和推进效率的影响,得出了系统效率在不同工作状态下的变化规律,并提出了提高系统效率的措施.     

美国90年代的大型运载火箭(HLLV)

目前美国正在研制一种大型运载火箭,准备在90年代中后期使用。这种运载火箭能运载136吨的有效载荷,到达1000公里的圆形极轨道。它可与直径15米、长60米的有效载荷整流罩对接。载荷可以是空间站部件,商用空间设备或先进的军用系统。设计要求:宇航电子系统和推进系统能重复使用;发射运转时间短;尽量减少硬件;部件有适应性和通用性以及成本低。     

航天器柔性多体系统动力学的高效建模方法

以航天器为工程背景,提出了一种高效建模方法。文中采用有限元离散和模态叠加法描述部件的弹性变形。用铰链相对坐标建立了相邻柔性体之间的递推运动学方程。利用递推运动学方程、柔性体的牛顿—欧拉方程和铰链的约束特性,构造了单链多体系统动力学问题的递推算法。对树状多体系统的拓扑结构进行了研究,提出了研究树状多体系统动力学问题的求解过程控制方法,从而实现了树状多体系统与链式多体系统的统一,使得对单链多体系统建立的递推动力学方程能够直接用于求解树状多体系统的动力学问题。     

First results of PRECISE—Development of a MEMS-based monopropellant micro chemical propulsion system

PRECISE focuses on the research and development of a MEMS-based monopropellant micro chemical propulsion system for highly accurate attitude control of satellites. The availability of such propulsion systems forms the basis for defining new mission concepts such as formation flying and rendezvous manoeuvres. These concepts require propulsion systems for precise attitude and orbit control manoeuvrability. Application-oriented aspects are addressed by two end-users who are planning a formation flying mission for which the propulsion system is crucial. Basic research is conducted aiming at improving crucial MEMS technologies required for the propulsion system. Research and development also focuses on the efficiency and reliability of critical system components. System analysis tools are enhanced to complement the development stages. Finally, the propulsion system will be tested in a simulated space vacuum environment. These experiments will deliver data for the validation of the numerical models.     

火星环绕器推进系统建模与可视化研究

针对液体推进系统的联合仿真演示需求,基于模块化建模思想,根据守恒方程和状态方程,应用AMESim开发了通用液体火箭发动机组件模块库并建立了推进系统仿真模型,利用Simulink和LabVIEW开发了仿真控制模块和视景仿真模型,搭建了全系统联合仿真环境与平台.结合某型火星环绕器推进系统的任务要求以及具体构成,实现了该火星...     

空间轨道转移飞行器推进系统静态仿真分析

采用模块化方法建立了空间轨道转移飞行器推进系统的静态数学模型,用C语言开发出对应静态模型的仿真计算软件,应用该软件分别对N2O4/MMH、N2O4/UDMH、LO2/LH2、LO2/RP-1等推进剂组合推进系统进行静态仿真计算,并把计算结果导入相关质量模型,估算各系统在特定条件下的质量,再对上述几种推进系统进行单干扰因素分析,确定了敏感度较大的干扰因素。     

深空探测器推进系统

以技术较成效的月球探测器、火星探测器推进系统为重点，介绍了国外深空探测活动的情况。简述了深空探测对推进系统的需求、我国航天器液体推进技术的现状。认为我国的推进技术经一些适应性发展，即可满足深空探测的需求，并且设想了我国近期较为可行的深空探测器推进系统方案。     

Overview and status of a mirror fusion propulsion system design study

The main goal of this paper is to describe and emphasize the important discoveries made since 1986 in the engineering design of space fusion propulsion plants.

Among the important discoveries are four fundamental design principles (DPs) which should be used when adapting candidate Earth-based fusion-electric power plants to propulsion in space.

1. DP1. Maximize direct access to space for waste radiation.

2. DP2. Operate components as passive radiators whenever possible.

3. DP3. Optimize the plasma characteristics for best specific jet power

4. DP4. Optimize mission capability versus lifetime-mass-to-orbit (LMTO).

Another discovery is a design philosophy called IDEAs (Integrated Design Environment Algorithms) which is a tool for discovering new fundamental design principles.

These discoveries allowed us to adapt, and then to optimize, an earth-based fusion-electric magnetic-mirror-fusion reactor concept for propulsion in space. The resulting design is called the Mirror Fusion Propulsion System (MFPS); and its design status is reviewed.

This work can be used as a general road map for others attempting to convert earth-based designs to propulsion in space. It also has applicability to matter-antimatter propulsion systems engineering.     

电推进系统空间试验技术研究

电推进系统的相容性、空间推力/比冲等是空间应用关注的重要性能指标。根据电推进系统未来空间试验技术发展趋势,调研了国内外离子、霍尔电推进系统的推力、电磁兼容性、对卫星的污染等空间试验情况,结合我国电推进系统首次开展空间试验现状、电推进系统的布局,以及星上配备的卫星污染与电位监测器,对空间环境条件下卫星的污染、电推进自身及卫星设备的电磁兼容性、空间推力标定方法、推进剂剩余量分析方法等进行了研究。通过电推进系统在轨连续试验、电推进羽流影响等分析,得到电推进对卫星周围污染情况、电推进与卫星平台的电磁兼容性等在轨性能参数,可为全面评价电推进系统技术、科学制定电推进空间试验计划及电推进空间应用提供依据。     

On the use of solar energy for the acceleration of bodies to cosmic velocities

Future schemes of propulsions for interplanetary space flights based on using the solar energy are considered. The analysis is being conducted of the following propulsion systems: photon steady propulsion (solar sail); unsteady propulsion using momentum and energy of powerful solar flare photons; thermogasdynamic based on heating of propellant matter by concentrated solar radiation; electromagnetic wave propulsion based on the energy and momentum transmission by waves of optical and microwave ranges from space solar electricity stations and energy storage devices. The combined types of propulsion systems is discussed. Main features of mathematical modelling of small thrust propulsion systems are also considered.     

中国载人航天推进技术发展设想

回顾了航天大国运载火箭及推进技术发展历程,重点分析了美国、俄罗斯等国航天运载器推进技术的发展现状和后续发展思路。通过对当前世界主流运载火箭的构型特点和推进技术水平的对比和发展趋势总结,对中国未来发展载人航天运载器和先进推进技术的主要方向提出了建议。     

Societal imperatives and the need for space nuclear power and propulsion systems

The development and exploitation of nuclear power and propulsion represent certain didactic imperatives for human civilization. Among these are economic, epistemological, moral and commercial propositions. Developing space nuclear power and propulsion represents one future; the choice of not to pursue the course barring some breakthrough in physics represents a dramatically different future. The author argues that the time is now fortuitous for deployment and operation of nuclear propulsion and power, primarily nuclear electric propulsion, at significant levels, employing figures of merit that transcend simple cost models used to justify nuclear power sources in the past. The proposition is examined, in the light of US and UN restrictions, to ascertain how best to proceed. The author argues that viewpoints of certain vocal albeit uninformed public interest groups are typically self-serving and generally categorically incorrect; it can be asserted that these same groups do not truly represent the public interest at all. It is, therefore, necessary to present an even-handed assessment of both sides of the argument to determine the virtues and liabilities of embarking on such a developmental path. Given the imperatives mentioned, the author argues that nuclear power and propulsion for space systems is a societal necessity.