航天飞行器铸件舱段结构快速设计方法

为提高航天飞行器铸件舱段在方案论证阶段的结构设计效率、设计质量和迭代效率,基于航天飞行器复杂曲面结构特点对铸件舱段结构特征参数进行研究,提出曲线比率法以描述纵筋参数化布局;定义骨架模型发布元素,以实现铸件舱段的Top-Down设计。提出航天飞行器铸件舱段结构快速参数化设计方法,通过定义特征命名规则和创建特征集合实现建模规范化,通过封装舱段设计知识实现设计快速化,通过创建特征参数和公式实现特征参数化。通过建立交互式铸件舱段结构快速设计环境,实现铸件舱段结构的快速实例化、快速修改,并以航天飞行器铸件舱段为例验证了所提方法的可行性和有效性。      

柔性机械臂辅助空间站舱段对接阻抗控制

空间机械臂辅助舱段对接过程中存在测量与控制误差,易导致对接机构间存在较大接触力,传统FMA (Force MomentAccommodation)控制方法在测量接触力时无法消除大负载惯性力对测量的影响,且测量仪器的引入会进一步降低空间柔性机械臂的刚度。为此,文章提出了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制方法,采用拉格朗日法推导了空间机械臂的关节输入力矩方程作为前馈输入,建立了含动力学前馈的空间机械臂阻抗控制程序,并以在商业软件ADAMS中建立的空间柔性机械臂与对接舱段组成的系统动力学模型作为控制对象,对系统进行ADAMS灢Matlab联合仿真。仿真结果表明,按照此控制方法,系统可克服外力干扰使目标解析点按照期望的方式运动;同时,通过测量机械臂关节运动参数即可实现对外力的准确感知,而不需额外添加力传感器,既消除了大负载惯性力对测量的影响,也不会导致柔性机械臂刚度的降低。     

落弹舱的微重力环境

本文首先建立了分析落弹舱运动的各种坐标系,给出了解算姿态运动参数的数学模型.然后根据落弹舱微重力加速度的物理背景,对其微重力环境进行了数学描述和物理解释,推导了舱内任意部位微重力加速度表达式,阐明影响微重力环境的主要因素是气动阻力和姿态角运动.最后分析和近似估算了落弹舱的微重力水平,给出了气动阻力对落弹舱微重力水平影响的数值计算结果:平流层气球在30km以上释放落弹舱,优于5×10-2g的微重力持续时间超过30秒.      

一种通用的航天器在轨分离设计方法

随着空间探测任务的多样化和复杂化,利用单个航天器的多舱段实现多任务、多目标探测已成为航天技术的发展趋势。通常情况下,舱段分离信号将触发航天器的后续自主控制,直接影响航天器的自身安全和后续任务执行。本文从保证分离信号可靠和分离过程安全的角度提出了一种典型的分离信号配置与通用的分离信号触发控制逻辑,并建立了航天器在轨分离安全性数学模型。该模型和逻辑控制方法经过仿真分析和实际在轨飞行任务验证,确认了方法的可行性和正确性,可以作为后续航天任务的参考。     

气球落舱内试验平台的高微重力水平分析

研究了一种新型高微重力水平气球舱内试验平台的动力特性，考虑了稀薄气体的影响，建立了落舱及平台的动力学方程，通过数值计算获得了平台微重力水平与落舱控制精度、平台与落舱的分离时刻、真空舱内真空度的关系。     

空间碎片云演变过程的阶段划分

根据碎片云从破碎点开始向空间扩散过程中碎片密度和形状的变化规律,以几何形状和起主要作用的因素为特征,定义了球形、椭球形、绳形、螺旋线形、全方位弥漫直至球壳形六个演变阶段.论述了在各个阶段的主要特征和对演变过程起主要作用的因素.总结了与演变过程相关的轨道运动理论和研究方法,分析了各个阶段演变的动力学原理.在球形阶段起主要作用的是分离速度;椭球形阶段可以利用线性化相对运动方程进行分析;绳形与螺旋线形在几何上有质变,但都有结点和结线,并可以利用速度增量理论分析和解释其存在的原因.轨道摄动力消除了结点和结线,导致碎片云的全方位弥漫,并最终使碎片云趋于球壳形.推导和罗列了各阶段转换标志点时刻的计算公式,利用计算机仿真的方法,给出了近地轨道各个阶段碎片云分布示意图,验证了演变过程阶段划分的合理性.     

发动机短舱泄压过程瞬态仿真

发动机短舱泄压门的设计会影响到短舱的安全性,泄压是一个动态变化过程,与舱内外压力、外界气流马赫数及泄压门结构有关。基于Modelica语言建立了短舱泄压过程零维瞬态仿真数学模型,并通过计算流体力学（CFD）方法得到不同开启角度下所需泄压门排放质量流量和力矩系数,并将这些系数代入零维瞬态仿真数学模型,得到了短舱泄压过程中舱内压力、泄压门开启角度等关键参数随时间的变化关系,分析了泄压门开启舱内压力阈值及最大开启角度对泄压过程的影响。研究结果显示,降低泄压门开启舱内压力阈值会使泄压过程到达平衡阶段时间减小,但是对平衡阶段舱内压力和往复摆动角度/幅度无影响。适当降低最大开启角度可有效降低泄压平衡阶段往复摆动角度/幅度,而对初始阶段的泄压速率和平衡阶段的短舱内部压力基本无影响,但是随着最大开启角度进一步降低,则会导致泄压速率下降,并使平衡阶段短舱内部压力升高。      

空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。仿真结果表明,当关节输出端位置测量精度为17位时,依靠阻抗控制的方法,空间柔性机械臂在主动舱存在最大位置误差150mm,最大姿态误差2.5°的情况下仍能完成对接;对接成功后,空间柔性机械臂系统控制力迅速下降,仍然能较好地保持构型,不会影响对接舱段的安全。     

梁式构件动力学响应分析的集总参数方法

详尽阐述了一种适用于梁式构件动力学响应分析的集总参数方法——有限段方法。采用有限段方法建立柔性梁式构件的离散模型,基于Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ方法建立柔性多体系统动力学方程。该方程计入了梁式构件的几何非线性变形的惯性影响,在求解过程中,引入了相对位移的模态变换以提高计算效率。通过典型实验验证了有限段方法可以解决具有几何非线性变形的柔性梁式构件的多体系统动力学问题。     

空间非合作目标的逼近控制仿真研究

近距离的相对运动逼近过程是空间在轨服务中非常重要的一个阶段.对该过程的动力学与控制过程开展研究,建立服务航天器向目标航天器逼近过程中的相对姿态运动模型和相对位置运动模型,在目标航天器本体坐标系下,采用直线逼近制导律,基于经典的比例-微分控制律对逼近过程中的相对运动状态进行跟踪控制.最后,建立Simulink动力学模型并开展仿真分析,仿真结果表明六维相对运动模型的可靠性以及控制方法的有效性.     

Convex optimisation approach to constrained fuel optimal control of spacecraft in close relative motion

This paper describes an interesting and powerful approach to the constrained fuel-optimal control of spacecraft in close relative motion. The proposed approach is well suited for problems under linear dynamic equations, therefore perfectly fitting to the case of spacecraft flying in close relative motion. If the solution of the optimisation is approximated as a polynomial with respect to the time variable, then the problem can be approached with a technique developed in the control engineering community, known as “Sum Of Squares” (SOS), and the constraints can be reduced to bounds on the polynomials. Such a technique allows rewriting polynomial bounding problems in the form of convex optimisation problems, at the cost of a certain amount of conservatism. The principles of the techniques are explained and some application related to spacecraft flying in close relative motion are shown.     

航天器交会最终逼近段相对姿态估计与控制

对航天器交会对接最终逼近段,给出姿态运动学方程统一形式以及相对姿态动力学方程;除了应用交会航天器的绝对姿态运动方程进行相对姿态估计(间接法)外,还直接应用相对姿态运动方程进行相对姿态估计(直接法);阐述相对姿态控制的相平面法与四元数反馈法的设计方法.相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为3个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用简化的基于本征轴旋转的线性二阶系统,选择相对四元数与角速率反馈增益系数,确定控制力矩.此外,对相对姿态估计与控制方法进行模拟计算与比较.理论分析与模拟计算结果表明:应用扩展Kalman滤波的相对姿态间接估计法与直接估计法是有效的,后者有可能简化估计算法;相平面控制法与四元数反馈法均可有效实现相对姿态控制,前者应用常值推力(推力方向与姿态反馈有关),较易实现,但动力消耗较大,后者按控制力矩随姿态反馈量而变,动力消耗较小.      

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

给出了地心引力场中受控航天器相对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解，根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程，并讨论了比动能方程在上述两天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

Space-based line-of-sight tracking control of GEO target using nonsingular terminal sliding mode

This paper addresses the issue of high-precision line-of-sight (LOS) tracking of geosynchronous earth orbit target in highly dynamic conditions via spacecraft attitude maneuver. First, characteristics of the LOS motion are analyzed by a simplified linear relative motion model. Second, after transforming the quaternion-based attitude model into a double integrator system, a new nonsingular terminal sliding mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in a nominal case without parametric uncertainties and external disturbances. Third, an adaptive new nonsingular terminal mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in an uncertain case, which is done via constructing a pair of adaptive laws to estimate the parametric uncertainties and external disturbances online. The robust stability and finite time convergence property of the closed-loop system are demonstrated by Lyapunov theorem. Under control of the proposed controller, zero steady state error tracking of LOS with a smooth transition phase can be achieved in scheduled time, regardless of parametric uncertainties and external disturbances online. Finally, detailed numerical simulation results are presented to illustrate the effectiveness and performance of the proposed controllers. Contrasting simulation results shows that proposed controllers can track the desired trajectories effectively and have better performance against the controllers based on linear sliding mode and the existing fast nonsingular terminal sliding mode.     

Spacecraft fuel-optimal and balancing maneuvers for a class of formation reconfiguration problems

This paper presents fuel optimal and balancing methodologies for reconfiguring multiple spacecraft in formation subject to a Newtonian gravity field. For a kind of continuous-thrust propulsion system, a fuel-optimal control problem is formulated to minimize the integral squared control subject to the linearized Hill or Clohessy–Wiltshire dynamics of relative motion with respect to a circular reference orbit. Palmer’s analytical solution for general reconfiguration is adapted to maneuvers between projected circular orbits, resulting in the optimal fuel consumption index as a function of configuration parameters such as orbit radius, phase angle, and transfer time. Parametric analyses reveal unique characteristics of individual fuel optimality and gross fuel consumption: for an arbitrary selection of initial/terminal orbit radii, (i) there exist special transfer times such that individual fuel consumption is optimally uniform for all phase angles, and (ii) the total fuel expenditure for a group of three or more spacecraft is invariant for the relatively same configuration with respect to the departure phase. These results serve to effectively design fuel balancing strategies for formation reconfiguration of multiple spacecraft.     

基于Frenet和改进人工势场的在轨规避路径自主规划

在轨道间机动的航天器规避空间目标,需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动,路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题,提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规划方法。首先,构建Frenet坐标系表述空间规避运动,解决了路径规划中航天器与既定转移轨道相对位置不易表述的难题,实现了空间规避运动的简便表示;其次,改进人工势场函数、调整势场作用区域,避免了传统人工势场法存在过早轨迹偏离以及局部震荡现象,实现了对空间目标的自主规避;最后,考虑规避安全、轨道保持、制动时效以及燃料消耗因素构建全局优化函数,能够满足不同任务的需求与偏好,实现了沿转移轨道飞行的最小偏移与快速恢复。算法比对与算例求解表明:所提方法应用优势明显,路径平滑、偏移量小,满足航天器规避空间目标的路径规划需求。      

非合作自主交会对接的动态障碍物躲避制导

首先,在视线坐标系下建立了系统相对运动状态方程,将人工势函数制导方法应用于航天器的非合作自主交会对接任务和动态障碍物躲避问题。其次,利用Lyapunov稳定性理论分析证明了在该制导方法控制下系统的稳定性,并且研究讨论了两种不同情形下的动态障碍物躲避效果,分析了人工势函数制导方法的应用能力。最后,用精确的数学模型进行了数值仿真,验证了制导方法应用于所研究问题的正确性和有效性。