Manifold dynamics in the Earth–Moon system via isomorphic mapping with application to spacecraft end-of-life strategies

Recently, manifold dynamics has assumed an increasing relevance for analysis and design of low-energy missions, both in the Earth–Moon system and in alternative multibody environments. With regard to lunar missions, exterior and interior transfers, based on the transit through the regions where the collinear libration points L₁ and L₂ are located, have been studied for a long time and some space missions have already taken advantage of the results of these studies. This paper is focused on the definition and use of a special isomorphic mapping for low-energy mission analysis. A convenient set of cylindrical coordinates is employed to describe the spacecraft dynamics (i.e. position and velocity), in the context of the circular restricted three-body problem, used to model the spacecraft motion in the Earth–Moon system. This isomorphic mapping of trajectories allows the identification and intuitive representation of periodic orbits and of the related invariant manifolds, which correspond to tubes that emanate from the curve associated with the periodic orbit. Heteroclinic connections, i.e. the trajectories that belong to both the stable and the unstable manifolds of two distinct periodic orbits, can be easily detected by means of this representation. This paper illustrates the use of isomorphic mapping for finding (a) periodic orbits, (b) heteroclinic connections between trajectories emanating from two Lyapunov orbits, the first at L₁, and the second at L₂, and (c) heteroclinic connections between trajectories emanating from the Lyapunov orbit at L₁ and from a particular unstable lunar orbit. Heteroclinic trajectories are asymptotic trajectories that travels at zero-propellant cost. In practical situations, a modest delta-v budget is required to perform transfers along the manifolds. This circumstance implies the possibility of performing complex missions, by combining different types of trajectory arcs belonging to the manifolds. This work studies also the possible application of manifold dynamics to defining suitable, convenient end-of-life strategies for spacecraft orbiting the Earth. Seven distinct options are identified, and lead to placing the spacecraft into the final disposal orbit, which is either (a) a lunar capture orbit, (b) a lunar impact trajectory, (c) a stable lunar periodic orbit, or (d) an outer orbit, never approaching the Earth or the Moon. Two remarkable properties that relate the velocity variations with the spacecraft energy are employed for the purpose of identifying the optimal locations, magnitudes, and directions of the velocity impulses needed to perform the seven transfer trajectories. The overall performance of each end-of-life strategy is evaluated in terms of time of flight and propellant budget.     

航天器单层板结构弹道极限的支持向量机预测模型

提出了一种基于非线性不可分支持向量机（SVM）方法的航天器单层板结构弹道极限预测模型。利用实验数据对SVM进行训练,建立穿透点和未穿透点的分隔面,进而预测新结构弹道极限特性。SVM的训练问题是以实验点分类正确性为约束,预测置信度最大化为目标的二次规划问题,用Lagrange对偶方法有效求解了该训练问题,并通过附加Lagrange乘子的上限约束处理不可分数据集。引入二次核函数将线性SVM推广到非线性,有效实现了实验点的分类。利用超高速碰撞实验数据对SVM弹道极限预测模型进行了验证,计算对比表明SVM方法有效预测了弹道极限,并且精度高于NASA JSC单层板弹道极限方程。对分离面方程分离变量,建立了基于SVM的弹道极限方程显式表达式。     

航天器空间自主交会故障诊断与容错控制的集成设计

提出了一种航天器圆轨道自主交会故障诊断与容错控制的集成设计方法。在考虑推力器输出约束的情况下,完成了故障诊断与容错控制的集成设计,该集成设计包括鲁棒容错控制器设计和鲁棒故障观测器设计两大部分。为了提高交会过程中的过渡性能,对该控制器完成了鲁棒D稳定性分析。仿真表明该设计具有良好的动态性能和对推力器故障的容错性,并且能够快速准确地诊断出推力器和交会敏感器的故障。     

航天器轻量化多功能结构设计与制造技术研究进展

轻质多功能结构是航天器装备实现轻量化的重要技术途径,本文针对航天器轻量化多功能结构设计与制造技术进行概述,重点介绍了高承载三维点阵结构、热变形稳定结构、智能折展结构、分离解锁结构、电磁隐身结构、以及复合材料新型连接技术等方面的现状及发展趋势,浅析了航天器装备新型结构研制面临的关键技术问题.     

面向航天器微低重力仿真的大型超平支撑平台精密装配技术研究

大型超平支撑平台作为航天器微低重力仿真的大型精密试验设备,具备大尺寸、高承载刚度、全自动精密调节等特点。通过对大型超平支撑平台装配要求及难点分析,构建装配系统组成,制定装配工艺流程,设计调节机构及调节工艺流程,并针对虚拟轮廓构建、精密测量、装配路径规划、调控策略等数字化自动装配关键技术进行研究,最终实现大型超平支撑平台的快速、精密测量与调节,高效率、高质量地完成200块平台的精确装配。     

航天火工机构可靠性的强化试验验证方法

针对性能参数服从正态分布的一类航天火工机构,参照“应力-强度”模型,提出了一 种强化试验的小子样可靠性验证方法。试验中将火工机构性能参数置于相对额定条件更为严 酷的条件下,用传统的成败型试验方法评估其可靠性,然后结合火工机构的力学特性推导出 它在额定条件下的可靠性。公式的计算验证表明：利用本方法,在0.95的置信度下,只需要 少于10次的试验就能够评定0.9999～0.99999的可靠性。最后,文章对强化试验的设计方法 进行了说明。
     

基于鲁棒自适应反步法的航天器姿态跟踪控制

针对存在未知惯量矩阵和外干扰的刚体航天器姿态跟踪,提出了一种鲁棒自适应控制方法。综合自适应反步法和非线性L2增益干扰抑制方法,用自适应反步法构造系统的Lyapunov函数,获得了具L2增益的鲁棒自适应控制器,以保证姿态跟踪误差系统为一致最终有界稳定,确保估计的航天器惯量参数的有界性,并使从外干扰输入到评价输出的L2增益不大于给定值。仿真结果验证了方法的有效性和可行性。     

面向资源约束航天器控制系统的故障检测研究

针对航天器控制系统的闭环特性和星载计算机存储空间和计算能力等资源受限的特点,研究基于互质分解技术和Youla参数化方法的故障检测方法.考虑航天器控制系统动力学方程和运动学方程,建立线性化系统模型,并给出状态空间表达形式;以状态观测器为基础,利用互质分解技术和Youla参数化方法分别研究控制信号和控制误差与残差的关系,进而给出只与控制信号和控制误差相关的残差设计方法;建立卫星闭环姿态控制系统仿真平台对算法进行仿真验证.仿真结果表明:由于在故障检测过程中避免了观测器的并行运行,因此所提方法在保证故障检测性能的前提下减少了计算量.     

基于递归神经网络的控制力矩陀螺操纵律设计

利用递归神经网络对单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律进行动态求解,设计了一 种基于递归神经网络的SGCMG系统操纵律。通过选择适当参数可以使该网络渐近收敛到稳定 状态,从而使操纵律具有较小的操纵误差。该操纵律不用计算Jacobi矩阵的伪逆,因此避免 了Jacobi矩阵求逆所带来的一系列问题。对某SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可 行的。     

航天光学采样成像系统MTF的优化设计与MTFC

简要介绍了成像链、成像系统和遥感系统的概念；对像质和像质差异的表征和度量、成像系统性能的表征等予以说明；重点探讨航天光学采样成像系统MTF的优化设计与MTFC问题，并给出讨论结果。