航天器太阳翼在轨光照角度建模及仿真分析

航天器太阳翼的输出功率受到光照条件的影响,与太阳光入射角θ（指太阳光与太阳翼法线的夹角,以下简称θ）密切相关（θ角取值0°～60°范围之间,输出功率与θ的余弦成正比）。为此建立了高精度的轨道数值计算模型、太阳位置计算模型、光照地影模型和不同姿态模式（航天器的飞行模式和太阳翼定向模式的多种组合模式）下的太阳光入射角计算模型。根据轨道和姿态条件,推算航天器在轨运行过程中太阳翼的太阳光入射角,分析太阳光入射角随时间的变化。仿真结果可用于计算太阳翼的发电功率,并为航天器和太阳翼的姿态控制提供参考。     

载人航天器太阳翼多姿态输出能力建模及分析

载人航天器太阳翼在轨运行期间除正常对日定向转动外，根据飞行任务要求可能需要工作在α轴水平归零或垂直归零等特殊状态。在特殊工作模式下，太阳入射角和太阳翼的输出能力变化曲线更加复杂。建立太阳入射角与轨道角、太阳高度角、β轴转角等变量的数学模型，分析太阳入射角的变化规律，并结合光照区时长，建立太阳翼在轨输出能力的预测模型。与实际飞行数据相比较，表明该模型可较为准确地评估特殊工作模式下太阳翼的输出能力，可用于在轨整舱能量平衡分析，为飞行任务计划安排提供参考。     

航天器刚性太阳翼在轨一维展开时间近似算法

针对航天器总体方案设计阶段迭代数值仿真太阳翼在轨展开时间计算复杂问题,以航天器刚性基板一维展开太阳翼为研究对象,将太阳翼的在轨展开运动简化为单自由度的刚性运动。利用动-势能守恒原理,推导了太阳翼在轨展开时间的理论公式。根据实际工程参数对太阳翼展开时间的理论公式进行了简化、拟合,建立了太阳翼展开时间的近似算法。近似算法解析计算的太阳翼在轨展开时间与数值仿真计算结果比对表明:相对误差小于10%,可以满足工程要求。用该近似算法,可在航天器总体方案设计阶段较为简单地计算并合理提出太阳翼在轨展开时间指标。     

太阳同步轨道卫星太阳电池阵在轨特性分析

卫星太阳电池阵的在轨特性主要受太阳入射角、地日距离因子、温度、星体遮挡、地球反照和衰减因素的影响。文章利用某太阳同步轨道卫星在轨数据,分析得出太阳电池阵输出功率的变化规律,并利用归一化处理方法,得出地球反照、星体遮挡、衰减因素对太阳电池阵输出功率的影响规律。文章的研究成果也适用于其他太阳同步轨道卫星,可为后续同类太阳电池阵的优化设计提供参考。     

升力式航天器太阳同步冻结回归轨道保持策略

针对超低轨道升力式航天器对地观察的优势及其高机动特性，设计了一种近地点位于临近空间的太阳同步冻结回归轨道，并对气动力辅助与发动机推力相结合的轨道保持策略进行了研究。策略将轨道保持过程分为3个阶段：第1阶段自远地点飞向大气层，不施加控制；第2阶段在大气层内飞行，通过控制攻角和倾侧角调整航天器所受气动力，小幅改变轨道的升交点赤经；第3阶段自跃出大气层到远地点，利用轨控发动机调整轨道参数，回到远地点时除升交点赤经其他轨道参数不变。以燃料最省为性能指标，对轨道保持策略进行了仿真分析，结果表明可以实现14.7天太阳同步冻结回归轨道的在轨运行。     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

倾斜轨道对地指向小卫星对日跟踪姿态控制算法

固定安装太阳电池阵形式的对地指向小卫星,运行在倾斜轨道时太阳电池阵光照条件恶劣,限制了小卫星的应用。文章研究了对地指向小卫星姿态跟踪控制,提出了控制算法。首先,对太阳电池阵法线和太阳方向矢量进行分析,得到最优的偏航角、偏航角速度和偏航角加速度。然后,基于卫星姿态动力学给出了3个互相垂直安装的反作用飞轮控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的渐近稳定性。以某小卫星为例,对控制算法进行验证,结果表明:文章提出的控制算法具有很好的实用性,控制律有效,能达到太阳电池阵跟踪太阳的效果。     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

分体式主动像元星敏感器高温度稳定度热设计及在轨验证

星敏感器是航天器姿态控制和天文导航系统的重要组成部分。遥感卫星在轨运行时,须降低其星敏感器温度波动,减小热环境变化带来的星敏感器光轴指向偏差,以提高卫星的姿态控制精度。文章以某太阳同步轨道卫星为例,采用常规热控措施实现分体式主动像元星敏感器安装法兰及支架高温度稳定度(T±2℃)的热设计,并在轨实施取得满意效果,可为后续分体式星敏感器热设计提供参考。     

大倾角轨道航天器双轴驱动太阳翼构型参数优化方法

针对双轴驱动太阳翼展开后的运动包络对航天器设备产生的视场遮挡和空间干涉问题,基于机构运动学分析技术提出了一种太阳翼构型参数优化方法。首先,基于自然坐标方法建立太阳翼机构运动学模型,完成太阳翼运动状态的模拟;然后,分析太阳翼运动包络的影响因素,并明确可用于优化设计的参数,同时根据机构装配关系及视场要求形成约束条件;最后,建立以摆动角为目标的优化函数并进行优化分析。以轨道倾角86.4°、轨道高度780km的航天器双轴驱动太阳翼构型优化为例,对其构型进行优化设计和优化结果验证分析,结果表明:优化后可获得太阳翼的最大摆动角为32°,此时太阳翼基板边缘与天线、敏感器视场最小距离为5mm,太阳翼运动过程对设备视场不产生遮挡影响,满足工程应用要求,验证了优化方法的有效性,可为太阳翼工程设计提供理论参考,同时为航天器上可动设备构型优化及设备布局设计提供一种新的途径。     

倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析

倾斜轨道卫星星敏感器空间外热流复杂多变,同时兼具内功率集中、热容小等特点,这为星敏感器的热设计带来了很大的困难。文章以某临界倾角轨道卫星星敏感器热设计为背景,在详细外热流分析的基础上,提出了一种倾斜轨道星敏感器热设计方案,利用热分析软件Thermal Desktop对此热控系统进行了具体的热分析。星敏感器在轨遥测温度在-19.8^-5.1℃之间,满足温度指标要求,表明星敏感器热设计合理、有效,可为今后倾斜轨道星敏感器热设计提供设计依据。在此基础上,文章利用在轨遥测数据对星敏感器热分析模型进行修正,得出入轨初期星表主要热控涂层退化约为50%的结果,这对于分析近地轨道卫星在轨温度具有一定的参考意义。     

倾斜轨道卫星组合式散热面优化设计方法

提出一种基于传统被动热控设计思路的组合式散热面优化设计方法,通过优化散热面布局和合理利用空间外热流,实现热控系统热量合理分配,优化热控系统研制流程。以某卫星的优化设计实践为例,基于该方法建立的简化模型可以快速地确定散热面的布局和比例,并减小热控系统质量,表明该设计方法合理、可行。     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。     

GEO光学遥感卫星阳光入侵规避方法

地球静止轨道(GEO)光学遥感卫星的相机每天午夜时分存在阳光入侵问题,致使相机焦面存在潜在损伤,严重时将影响卫星的使用寿命。文章调研了国内外GEO光学遥感卫星针对此问题的解决方式,在综合考虑相机、电能、机动、热控、测控等各项影响因素之后,提出了一种应用约束规避算法的阳光入侵规避方法,首先将卫星设计的工程约束条件转换为空间几何约束条件,通过将明确约束参数后的算法引入卫星姿态控制器来调整卫星姿态指向,避免阳光入侵相机内部。典型工况的仿真分析结果表明:在规避过程中,相机光轴矢量与阳光入射矢量夹角满足约束条件,此方法有效,可满足卫星在轨应用。     

航天器材料的空间应用及其保障技术

随着对应用卫星长寿命、高可靠要求的不断增长,对于航天器材料的空间应用可靠性及其保障技术日益受到重视。文章分析了航天器材料空间应用的要求及其空间环境效应试验评价技术,介绍了航天器材料保障技术的进展和发展趋势。在地面严格控制材料空间应用的性能并提供基于空间环境效应的充分数据是保障高品质航天器长寿命高可靠的重要手段。     

上面级在发射轨道的辐射外热流分析

研究发射轨道的外热流是进行火箭上面级和卫星热控设计的基础。文章给出了基于一组轨道和姿态参数的太阳矢量与地球矢量的计算方法。针对圆柱外形的上面级,分析了其发射轨道外热流的变化规律,利用该计算方法计算了太阳矢量,而太阳矢量在长时间滑行段相对固定,太阳矢量和受晒因子随发射时间而发生大幅度的变化,使得外热流工况变得非常复杂。通过对太阳定姿且绕箭体纵轴慢旋,可改善火箭上面级的飞行热环境,简化卫星和上面级的热控系统设计。     

倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法

倾斜轨道卫星的光照条件和外热流变化规律复杂,使得卫星负载功率和输入功率处于复杂动态变化之中,这给卫星能量平衡准确分析带来很大的困难。文章提出一种基于卫星能量动态关联模型的能量平衡优化分析方法,通过合理选择电源工作模式和准确定位卫星最恶劣能量平衡情况,实现电源系统合理配置,优化能量平衡分析流程。以某倾斜轨道卫星的能量平衡优化分析实践为例,应用该方法建立的能源动态关联模型,可以准确确定太阳电池阵输出能力和储能设备容量,减小电源系统质量和尺寸,由此表明该分析合理、可行。     

基于受摄轨道模型的小卫星轨道摄动分析研究

小卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用,这会对其轨道造成不同程度的影响,因此在小卫星的轨道设计与控制中,摄动是必须考虑的重要因素。本文以500km高的小卫星太阳同步轨道为研究对象,运用轨道摄动的基本理论,估计了地球非球形引力、大气阻力、太阳光压及第三体引力的量级并进行比较;建立小卫星轨道摄动分析模型,并在此模型的基础上,利用计算机仿真技术,对小卫星轨道摄动问题展开仿真研究,验证了几种主要摄动力的量级估计的结果,分析比较了几种主要摄动力对小卫星运行轨道的影响程度及规律,本文结果对小卫星轨道设计与控制具有很好的参考价值。     

长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的轨道维持问题。轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近。近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动。本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性。