空间站材料科学加工试验炉的选择

对国际空间站上各国准备选用的材料科学试验加工炉进行了介绍. 主要呈现以下特点: 高度集成化的材料制备、测试、分析和处理等综合实验能力; 更高的精度、稳定性以及更长的使用寿命; 模块化、标准化和组合式; 应用遥科学实验技术. 从1998 年开始, 为适应未来中国空间站试验的需求, 发展了几类遥科学的空间加工炉及在长时间无人条件下由机器人照料的任意次更换样品的遥操作原型炉. 提出在中国载人航天工程第三步, 即空间站阶段的前期关键技术预研中, 设计和研发功能专业化, 结构模块化和接口标准化的典型功能实验单元, 通过技术集成可以在短时间内高效可靠地完成空间实验设备的配置、集成化和空间应用.     

加拿大移动服务系统地面遥操作模式综述

针对未来我国空间站机械臂地面遥操作任务需求,分析目前国际空间站上加拿大移动服务系统（Mobile Satellite Services,MSS）地面遥操作的系统设计和安全性问题。介绍了MSS的系统构成,分析了MSS地面遥操作需求,对比分析了在轨操作和地面遥操作模式的不同,以及地面遥操作的约束条件;介绍了MSS地面遥操作过程中的任务规划、任务执行和在轨调试;总结了对我国空间站机械臂遥操作的启示,为从事空间站机械臂地面遥操作的科研人员提供一定的借鉴和参考。     

载人空间站概念

空间站与其它航天器相比,有很多优越性。文内详细地阐述了空间站的四大特征:①先入轨后上人,既提高了安全保障,又简化了研制过程;②具有自主补给消耗品、检修和更换设备的能力;③具有长期航天的素质;④具有可变更和可扩大其功能的性质。这些特征及其优越性,充分体现了空间站在未来载人航天活动中的地位和作用。     

基于多信号模型的空间站某典型产品测试性建模与分析

测试性建模与分析在提高产品的测试性设计水平上,发挥的作用越发重要.基于多信号流图模型方法,以某典型产品为例,分析其工作原理和结构,建立其测试性模型.根据分析结果,采用增加测点、断开反馈回路的方法,改进了模型的测试性设计,提高了其测试性指标.     

高温熔盐相变蓄热系统的数值模拟

对空间站吸热器高温熔盐相变蓄热地面模拟系统进行了数值分析,得到了太阳模拟器功率、循环工质气体出口温度、相变材料容器壁温等参数的瞬态变化曲线,计算结果表明单元换热管的蓄/放热性能达到了设计要求.     

基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化

针对含非线性特性的空间站转位机构轻量化设计问题, 建立了考虑非线性特性的结构/机构拓扑优化分析方法, 通过模拟静力试验过程方法得到其力–位移曲线, 按照特定的原则提取出非线性结构的等效刚度, 得出转位机构捕获连接机构考虑非线性特性的分析结果与静刚度试验结果误差在10%以内, 满足工程实际应用需要, 说明了捕获连接机构非线性刚度分析方法的可行性. 采用变密度法(SIMP), 建立了含非线性特性的转位机构拓扑优化模型, 开展了空间站转位机构中间支架拓扑优化分析和减重设计, 结构减重24%. 分析结果表明, 转位机构满足刚度和强度要求, 实现了空间站转位机构轻量化设计的目标, 说明了该分析方法的有效性. 本研究建立的含局部非线性特性的拓扑优化分析方法为空间站转位机构轻量化设计提供了解决途径, 也为其他非线性结构机构拓扑优化提供了参考, 同时为中国空间站重点工程项目的建设提供了技术支撑.     

Don Pettit国际空间站微重力流体实验与若干现象的解析

Don Pettit 是美国NASA 的资深宇航员, 2002 年11 月至2003 年5 月, 在国际空间站工作期间, 进行了一系列名为Saturday Morning Science的微重力实验. Don Pettit 实验揭示了微重力下一些令人惊奇的现象, 涉及流体力学、气泡动力学、晶体生长以及运动学的诸多基础问题, 是能够获得的国际空间站为数不多的微重力实验资料, 具有重要研究意义. 实验包括14 组流体实验和7 组力学实验, 而流体实验又大致分为水膜实验和水球实验, 包括大尺寸水膜制备、扩散和对流、Marangoni 对流、薄膜结晶、水球/气泡旋转等. 本文对Don Pettit 实验的流体部分进行了介绍, 并对其中的Marangoni对流和薄膜结晶实验现象进行了解析.     

用于空间站的四重冗余对接控制系统设计

针对空间站所处太空环境的特殊性、对接机构对空间站正常运行的重要性,以及对航天器可靠性要求日益增加的问题,提出在对接控制系统中增加可靠性设计,实现整个机构的高质量、平稳运转。在完成正常控制功能的基础上,在系统中采用了四重冗余的工作机制,包括主备机双热备份、自动/手动控制模式切换、自动控制关闭指令双线发送和工作模式的三取二判断,对四重冗余设计的具体判断流程进行了详细的解释。对控制系统软件进行仿真验证,结果表明：本方法设计的对接控制系统具有高可靠性和故障容错能力。     

基于拉盖尔函数的卫星姿态预测控制方法

针对卫星在空间站中进行绕飞检测时的姿态控制问题,考虑卫星的姿态轴需要躲避禁飞区域并指向期望位置,提出了一种基于拉盖尔函数的模型预测控制方法,实现了对卫星姿态轴的控制。在模型预测控制方法的基础上,通过拉盖尔函数,将优化多个控制输入转换为优化少数的拉盖尔系数,建立了拉盖尔模型预测的控制策略,改善了传统的模型预测控制方法计算效率差的问题,减少了优化时间。采用卫星在空间站中绕飞的模型进行数值仿真验证,结果表明该方法能够使卫星的姿态轴躲避禁飞区并到达指定位置。与传统方法相比,这种基于拉盖尔函数的模型预测控制策略能够提高优化效率,减少计算时间。     

The performance of KSC Fixation Tubes with RNALater for orbital experiments: A case study in ISS operations for molecular biology

Molecular biology experiments on the International Space Station (ISS) continue to face challenges of sample harvesting and sample return to earth for post flight analysis; however, the use of Kennedy Space Center Fixation Tubes filled with RNALater has proven to be a robust solution to many of these challenges. While it is clear that one direction of future spaceflight experimentation may be towards enhanced on-orbit analytical capabilities, the rapid progress of earth-bound analytical capacity dictates that facile return of molecular biology samples from the ISS will continue to be a mainstay of space life sciences research and flight operations. In this paper we present a case study of the successful performance of KFTs and RNALater over a broad set of operational conditions of ascent configuration, on-orbit experiment use, on-orbit storage and sample return configurations that are unique to ISS current operations and constraints. We also provide observations on performance limits and discuss deployment opportunities and scenarios that are consistent with continued successful ISS molecular biology experimentation.     

空间站组合体惯性系内角动量管理控制

针对惯性系内重力梯度力矩与气动力矩的常值部分积累引起控制力矩陀螺饱和的问题,在惯性系内建立空间站的动力学模型并进行线性化,利用滤波变量将系统状态方程扩维,采用LQR方法设计系统反馈控制增益矩阵,实现空间站在惯性系内的角动量管理控制.惯性系内重力梯度力矩、气动力矩由轨道角速度整数倍的频率成份构成,可以根据实际情况增加抑制不同频率成份的滤波变量,用于抑制不同频率成份干扰力矩对空间站姿态或控制力矩陀螺角动量的干扰,从而使空间站长期在惯性系内飞行而不需要进行角动量的卸载.仿真验证了控制器的性能.     

空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象

为了分析乘员在没有良好通风的压力舱内停留时,呼出CO₂的聚集过程并评估其可能导致的医学危害,建立了乘员在特定空间站睡眠舱的计算流体动力学模型,对乘员在睡眠区的呼吸过程进行了非稳态模拟.模拟中乘员的CO₂呼出浓度和肺通气量根据生理实验随CO₂吸入浓度变化.通过模拟给出了睡眠区典型位置处CO₂分压随时间的变化规律.最后提出了无通风条件下乘员在睡眠区停留的最大容许时间,睡眠区CO₂浓度监测仪的布置原则和类似情况下为保障乘员生命安全可采取的一些措施.      

数字空间站动力学与控制仿真建模与飞控应用

数字空间站作为真实空间站的数字化映像,将能源、信息、环热控、动力学与控制等多专业模型进行综合集成,建立舱段级、整站级多学科仿真系统,为空间站长期飞控任务提供技术支持.基于Modelica建模语言,结合采用FMI接口标准,完成了数字空间站动力学与控制仿真模型的集成,并成功在空间站飞控中进行了应用.     

对空间碎片近距随遇悬停的控制方法及悬停燃耗分析

对空间碎片检视或抓捕操控中的悬停控制及燃耗问题进行了研究。通过C-W方程,建立任务星近距随遇定点悬停控制模型,通过设计状态反馈控制器分析定点悬停的可控性以及推控要求,结果表明近距悬停需要与悬停位置相关的两个正交方向上的常值连续推力控制量,以及用于抵抗扰动的三轴向上的反馈变推力控制量。分析了近距随遇悬停的推控分系统配置,建立了长时近距随遇悬停的燃耗及燃耗速率的数学模型,最后分析了既满足安全距离需求、又满足悬停方位需求的最小悬停燃耗模型。     

基于星星双中继的国际月球科研站的全时无缝通信

2021年中国提出与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设的建议, 引起多方广泛关注, 国际月球科研站工程建设按计划顺利推进. 国际月球科研站建设完成后, 与中国地面控制中心间保持全时无缝通信将是重要需求. 中国地面深空测控网设立的国外站, 长期来看可能存在一定风险, 例如降低中国地面深空测控网的可用性, 影响国际月球科研站与地面控制中心间的全时通信. 为此, 根据中国对月探测现状, 借鉴天链中继卫星系统的设计、建设、应用、发展实际, 提出一个“鹊桥–天链”星星双中继通信设想. 从几何可见性角度进行多种条件的覆盖仿真分析, 并从传输体制、链路设计、系统组成、捕获跟踪、工作流程、整体定位等多方面进行研究分析, 初步完成了基于星星双中继的国际月球科研站全时无缝通信研究. 在地面控制中心统一控制下, 通过地面深空测控网、星星双中继的综合利用, 国际月球科研站与地面控制中心间的全时无缝通信将具备完全实现的技术基础. 此外, 该设想也可为地月空间、行星际探测的其他航天器通信提供借鉴, 并可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合发展.     

空间太阳能电站微波能量反向波束控制技术

微波能量传输设计与验证是中国空间太阳能电站发展各阶段的核心工作,微波能量反向波束控制则是微波能量传输的关键环节。目前的反向波束控制研究都基于微波能量发射阵列具有理想型面的前提,没有考虑空间环境中微波能量发射阵列结构模块发生位置和姿态偏差的实际情况。结合中国空间太阳能电站发展的4个阶段任务,分析了结构模块姿位偏差对整流阵列处功率密度和波束指向误差带来的影响。在已经验证的软件化微波能量反向波束控制基础上,结合结构模块姿位偏差校正,提出了基于相位补偿的反向波束控制技术,并对校正效果进行了仿真分析。基于相位补偿的反向波束控制技术对微波能量发射阵列结构模块姿位偏差的影响具有显著的校正能力。文章可以为微波能量传输系统的设计和研制提供指导。     

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺（CMG）角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型（LQR）算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。      

H2O对空间站5A分子筛CO2去除性能影响

为进一步研究分子筛CO2去除系统应用于空间站的工作可靠性和鲁棒性,针对空间站4床分子筛(4-BMS)系统中可能出现的湿度失效保护问题展开了实验研究.测试了两种载人航天分子筛材料TC-5A与PSA-5A,研究了不同相对湿度对CO2吸附性能的影响;比较了相同湿度条件下,进口气体CO2浓度、粒径及吸附温度的变化对分子筛吸附CO2性能的影响,采用不同实验方法探究了H2O和CO2在两种分子筛材料中的竞争吸附关系.结果表明:PSA-5A吸附CO2性能优于TC-5A,但对H2O的吸附率略低于TC-5A.H2O的存在对分子筛吸附CO2影响非常大,空气中相对湿度达到60%时,分子筛基本失去了吸附CO2的能力.此外,温度升高会造成CO2的吸附量显著下降,但对H2O的吸附量影响相对较小,尤其是当相对湿度较高时.这对中国未来长期运行的空间站分子筛CO2去除系统工作有效性与工作鲁棒性的评价具有指导意义.