数字孪生技术综述分析与发展展望

随着数字化与仿真技术的发展,数字孪生技术已成为各行业的新兴研究热点,面对航天高质量、高效率和高效益的发展要求,有必要深入研究数字孪生技术的内涵及其关键技术,以便更好地研究探讨航天领域相关数字化仿真技术未来的发展方向。对数字孪生概念、数字孪生关键技术及研究现状进行了系统总结和分析,提出了航天领域数字孪生技术研究及应用领域发展展望。     

聚光式空间太阳能电源系统

介绍了聚光式太阳能电源系统的分类、原理及国外的研究与应用进展,分析了反射式与折射式空间太阳能聚光系统的优点与不足,指出了高精度太阳指向控制、耐环境薄膜材料、薄膜太阳电池、高密度热流热控等技术难点及需要解决的关键技术,对我国开展空间太阳能聚光系统技术研究提出了建议。     

基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术研究

对数字孪生技术和运载火箭结构设计制造与验证的数字化技术现状进行介绍,在此基础上对基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术开展论证,主要包括基于数字孪生的结构设计技术、基于数字孪生的结构制造仿真技术和基于数字孪生的结构试验仿真与控制技术3个方面。与现有技术相比,基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术增加了面向过程的虚拟映射、模型驱动和数字管理等关键要素,加强了模型和数据对结构研制过程的预测、监测和控制作用,能够进一步提高设计效率,加快试验周期,提升结构的精细化和轻量化水平。     

新型空间电源——热离子核电源

概述了空间电源的发展过程,以及空间电源系统在空间飞行器设计中的重要作用;大功率、低重量、小体积、抗辐照是对空间电源的基本要求。概述了空间核电源的优点、缺点、使用的范围、发展的必然趋势、回避缺点的方法。     

发射场地面发射支持系统数字孪生架构及应用

针对航天发射场地面支持系统远程监测诊断、智能维护保养和自主决策控制等应用需求,提出了面向地面发射支持系统的数字孪生参考架构,提炼了实现数字孪生的关键技术。结合我国首型固液捆绑运载火箭塔式吊装对接工作,开发了基于参考架构的运载火箭塔式吊装对接仿真平台。经实际运行考核,该平台基于虚实空间交互映射和实时动力学仿真,通过丰富吊装场景监控信息,能够提高吊装对接工作的安全性和效率;同时,验证了数字孪生参考架构设计的合理性及技术路线的可行性。     

狭义数字孪生卫星构建应用平台的开放性研究

分析了国内外基于模型的系统工程、体系工程、数字孪生和数字工程在卫星工程上的发展过程,从系统论的角度提出了狭义数字孪生卫星的概念,不同单位、不同人解决不同问题时,要根据问题的需要,调整各组成部分的仿真粒度,形成研究问题的数字工具。这些数字工具都具有系统完整性,都是数字孪生卫星概念的实例化外延。提出了用所有岗位构建应用和交流成果的总工作量来度量数字孪生卫星构建应用平台开放性的概念,分别从建模和使用模式、星上源代码一致性、卫星集群多平台分布式仿真3个方面给出了平台的开放性度量准则。针对软件平台开放性设计目标,论述了数字孪生卫星构建应用平台专用的开放性设计技术,包括软件层次模块划分、多粒度模型库、建模和模型管理工具包。通过工程实践案例,证明了开放性度量准则可以有效评估数字孪生卫星建模和模型管理的总工作量,为各单位的平台设计和研制过程的各种决策提供依据。     

航天器数字电源应用概述

数字电源可满足更多需求,实现更多功能。它是可编程的,如通信、检测、远程控制等功能都可用软件编程实现。数字电源还具有高性能和高可靠性。文章介绍了数字电源的特点、优势以及航天器应用数字电源的必要性和重要性。     

基于数字孪生的航天电推进器优化设计方法

针对以引力波探测为代表的空间科学任务和以“国网星座计划”为代表的商用卫星网络任务对推进器的特殊需求,本文提出了一种基于数字孪生的推进器优化设计方法。该方法首先建立由机理模型模块和测试数据集模块组成的数字孪生体。机理模型模块依据推进器的物理过程建立模型,对难以测量的数据进行仿真模拟;测试数据集模块通过实验对推进器进行测试,依靠测试数据建立可测参数的数学模型。将数字孪生体与实验进行对比,通过对比结果反馈调节机理模块从而不断提高孪生体的准确性,最终为优化设计提供依据。结果表明：(1)该方法能够构建微波离子推进器的数字孪生体;(2)该数字孪生体的预测结果存在一定差异,通过分析发现该差异与机理模型的精细度以及测试数据集的数据量有关。     

数字化制造技术在航天光学遥感器研制中的应用

介绍了数字化制造技术的概念和航天光学遥感器的特点,详细介绍了数字化制造技术在航天光学遥感器研制中的应用,并指出了存在的问题。最后,分析了数字化制造技术在航天光学遥感器研制应用的发展方向。     

空间数据系统发展的三个阶段

提出把空间数据系统的发展历程分为三个阶段：第一阶段是面向信道传输,主要解决数据如何在空间链路上有效可靠传输;第二阶段是面向数据源,主要解决如何自适应不同数据源的传输要求。这两个阶段的技术已经成熟并应用。文章预测,空间数据系统将走上第三阶段,即面向数据用户的体制,到那时用户可以根据自己的需求,主动从空间分布式数据库中获取数据。文章重点阐述了第三阶段的新概念设想,它的第一步是云遥测,然后进一步建成支持交互的空间云数据系统。     

一种基于数字空间的空间站任务飞控事件规划方法

针对空间站任务飞控事件规划问题,结合资源约束、飞控事件需求数据维度高、事件间互相影响等特点,提出一种基于数字空间的飞控事件规划方法,将飞控事件规划问题转化为数字模型构建、数值计算及飞控事件时序设计问题。结合空间站应用实例,给出了飞控事件规划流程和规划结果分析,验证了方法的有效性,为空间站任务飞控事件规划问题提供了新思路。     

采用MPPT技术的国外深空探测器电源系统综述

最大功率点跟踪（MPPT）技术能够最大限度利用太阳电池阵输出功率,对于光强和温度变化较大的深空探测器,具有一定的优势。对MPPT电源系统拓扑结构及其在国外深空探测领域的典型应用,如＂罗塞塔＂（Rosetta）、＂信使＂（MESSENGER）探测器电源系统等,进行了调研和综述,分析了3种MPPT拓扑结构的特点,并指出光强、温度等空间环境因素,以及负载特性、系统稳定性对电源系统的影响,可为MPPT技术在我国深空探测器电源系统设计中应用提供参考。     

Delta-Sigma调制器在空间指向镜位置伺服系统中的应用

在目前的空间指向镜位置伺服系统中,数字控制器输出脉宽调制（PWM）的量化误差会导致指向出现小幅角度振荡,使得指向的稳定性降低,进而导致光学遥感成像质量发生退化。针对航天器工程实现的特点,将 Delta-Sigma 调制器引入到数控软件中,在不改变硬件电路与系统参数的前提下,显著的降低了输出量化误差对伺服系统的影响。Matlab仿真结果表明,该方法可使指向镜的指向角度振荡幅值衰减至原来的1/5以下,有效地提高了指向镜的指向稳定性。     

宇航元器件应用验证系统工程研究

在调研国内外宇航元器件应用验证研究及工程实践的基础上,总结了我国宇航元器件应用验证的目标和特点,即以解决元器件宇航应用可用度评价并促进成熟应用为目标,具有多阶段、多领域、多目标、多任务和多参与方等特点。分析了应用验证的复杂性、层次性、整体性、环境适应性等复杂系统特性;在论证系统工程理论和方法指导宇航元器件应用验证研究适用性的基础上,建立了系统工程视角下的我国宇航元器件应用验证技术框架体系,凝练出一套集成的应用验证成果体系。应用验证工程实践表明,应用验证研究成果具备有效性和科学性,但仍需不断丰富和完善。     

未来空间技术发展展望

经过近50年的发展,我国空间技术取得了举世瞩目的成就,在新的历史时期,世界航天将跨入一个新的发展高潮,我国经济社会的发展对航天事业提出了更高的要求。文章提出了我国未来航天器发展体系,介绍了未来5年我国空间技术发展的重点任务,分析了专业技术发展方向,提出了创新发展的对策建议。