共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

摄动因素对火星环绕段轨道长期影响研究

针对未来火星探测需要,研究了摄动因素对火星环绕段轨道的长期影响。对各种摄动因子的数量级进行了估计,根据估计结果,对比选取了起主导作用的摄动因子;建立了主要摄动因子的数学模型;通过数值仿真验证,对比分析了火星和地球的相应摄动因素对各自环绕段轨道半长轴和偏心率的影响。仿真结果表明:非球形摄动对火星环绕段轨道的影响具有明显的长周期特征,而相应的地球环绕段短周期效应较明显,这主要是由于质量分布不同造成火星非球形引力位中田谐项的系数基本都比地球的相应值大一个量级,因此在实际轨道设计中应该重点考虑高阶项特别是高阶田谐项对环绕段轨道造成的影响。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

GEO卫星平台东西板外挂锂电池构型布局影响分析

为优化地球静止轨道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）卫星平台设备布局空间,提出东西板外挂安装锂离子蓄电池的构型布局方案,从力、热、流程等方面分析东西板外挂安装锂电池构型布局的可行性及其影响,并以135A·h锂离子蓄电池为对象进行设计分析预算。结果表明,与服务舱南/北板内挂安装相比,锂电池采取东西板外挂安装更具优势,不仅腾出平台舱内大量设备布局空间,而且能优化研制流程;此构型的力、热设计条件均有改善,尤其是热控加热功率与散热面积均减少70%,设计资源节省显著,是提升卫星平台总体设计能力的有效途径之一。     

旋转盘腔稳态换热试验的时间相关性

在稳态换热试验中,试验没有达到稳定就测量会增大误差,常见工况中盘面平均努塞尔数Nu误差的半衰期为2500~2700s。为判断试验是否达到稳定或可测量状态,采用瞬态计算方法对旋转盘腔换热试验的稳定时间的判定方法进行了研究。数值计算结果表明:对于旋转盘腔换热试验,稳定时间较长。提供了一种通过试验精度判定稳定时间和可测时间的方法,试验前可以由固体非稳态导热的傅里叶数估算可测时间。建议试验过程中每隔一段时间观测传感器数值,观测时间间隔按对数规律确定,直到传感器数值不变以确定达到稳定状态。      

Experimental study on film cooling performance of imperfect holes

An experimental study is made to investigate the film cooling performance of imperfect holes due to in-hole blockage over a flat plate. A specifically pyramid-shaped element is used to simulate the in-hole blockage. Six in-hole blockage orientations (such as leading-inlet, leading-middle, leading-exit, trailing-inlet, trailing-middle and trailing-exit) and four blocking ratios (ranging from 0.1 to 0.4) are taken into considerations. Based on the experimental results, the influences of in-hole blockage on the film cooling effectiveness and discharge coefficient under typical blowing ratios are analyzed. It is confirmed that the in-hole blockage results in a reduction of discharge coefficient related to the perfect film cooling holes, especially for the leading-exit and trailing-inlet orientations with a big blocking ratio. However, in the view of film cooling effectiveness, the in-hole blockage shows complicated affecting roles. In general, except for the leading-exit orientation, the in-hole blockages produce detrimental influence on the film cooling effectiveness.     

带有冗余度的新型连续地月载荷转移系统动力学与能量分析

传统的连续地月载荷转移系统(CCPTS）存在可靠性低、转移效率差的问题。设计了带有冗余度的新型连续地月载荷转移系统(N-CCPTS）,其带有的一套冗余抓捕机构不但提高了系统的可靠性,而且可以运载载荷,将转移效率提高了1倍。计算和仿真结果表明,冗余机构对系统参数变化规律的影响是小量;在转移相同质量的载荷时,当椭圆轨道远地点的半径足够大时,N-CCPTS相比CCPTS更加节省能量。N-CCPTS可以为高效率的连续地月物资转移提供一种更加可行的方案。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

面关机针栓式喷注器发动机头部传热分析

对面关机针栓式喷注器发动机头部的传热情况进行了分析建模,应用数值方法分别计算了发动机在工作过程和关机后头部集液腔内推进剂温度的瞬态变化情况.计算结果表明,发动机在工作过程中头部集液腔中的推进剂温升很小,关机后推进剂有不超过200℃的温升.从计算结果来看,头部的推进剂处于安全的温度范围内.