基于模型的载人航天器研制方法研究与实践

载人航天器具有系统规模大、技术难度高、单件小批量、无法通过多次飞行持续完善设计、可靠性要求高等特点。当前载人航天器研制中仍存在着参数化和模型化程度不高、基于模型的系统综合仿真验证不足、研制各环节缺乏数字化集成等问题,传统基于文本的系统工程方法已无法满足研制需求,亟需采用基于模型的系统工程方法。本文针对载人航天器的研制现状和应用需求,提出了面向载人航天器全生命周期的模型体系,定义了需求模型、功能模型、产品模型、工程模型、制造模型、实做模型等六类模型,提出了基于模型的研制流程,包含系统设计闭环验证、产品设计闭环验证、实做产品闭环验证3个验证环节,并深入探索了各研制环节中不同模型间的传递与关联关系。以某型号载人航天器为应用基础,系统地验证了提出的方法。     

Solar sailing in realistic mode,based on a locally-optimal control laws

Ballistic design of solar sailing missions in the solar system is composed of defining the design parameters, the control programs, and the trajectories that provide performance goals of a flight. The use of a solar sail spacecraft imposes specific restrictions on mission parameters that include the degradation limit on the flight duration, the maximum temperature of solar sail's surface, the minimum distance from the Sun, the maximum angular velocity of the spacecraft's rotation and others.Many authors considered the impact of these restrictions on the design of the mission separately, but they used a sophisticated method of finding the exact optimal motion control or applied the most straightforward laws of motion control. This paper uses local-optimal control laws at the complete mathematical models of motion and functioning of solar sail spacecraft to describe a technique of designing interplanetary missions. The described method avoids the need to obtain an accurate optimal solution to the control problem and does not cause significant computational difficulties.     

Thrusting maneuver control of a small spacecraft via only gimbaled-thruster scheme

The thrust vector control (TVC) scheme is a powerful method in spacecraft attitude control. Since the control of a small spacecraft is being studied here, a solid rocket motor (SRM) should be used instead of a liquid propellant motor. Among the TVC methods, gimbaled-TVC as an efficient method is employed in this paper. The spacecraft structure is composed of a body and a gimbaled-SRM where common attitude control systems such as reaction control system (RCS) and spin-stabilization are not presented. A nonlinear two-body model is considered for the characterization of the gimbaled-thruster spacecraft where, the only control input is provided by a gimbal actuator. The attitude of the spacecraft is affected by a large exogenous disturbance torque which is generated by a thrust vector misalignment from the center of mass (C.M). A linear control law is designed to stabilize the spacecraft attitude while rejecting the mentioned disturbance torque. A semi-analytical formulation of the region of attraction (RoA) is developed to ensure the local stability and fast convergence of the nonlinear closed-loop system. Simulation results of the 3D maneuvers are included to show the applicability of this method for use in a small spacecraft.     

闪沸工况下过热度对水喷雾雾化效果的影响

针对空间及高空环境中航天器、空天飞行器热载荷不断提升而热耗散能力低下的严峻问题,研究水喷雾在低压闪沸工况（又称过热状态）下的雾化效果,雾化效果会直接影响到喷雾的冷却效果。首先,建立了单个液滴在低压环境下由于气泡生长、气动力造成的二次雾化（液滴破裂）模型以及沸腾传质传热模型。其次,通过拉格朗日法综合喷雾中所有液滴,利用MATLAB仿真计算不同过热度对喷雾雾化及液滴温度的影响。进而分析过热度对喷雾冷却效果的影响。计算结果表明,闪沸工况下雾化效果远优于过冷状态;液滴在闪沸工况下温度总会快速趋近饱和温度;过热度越高液滴的雾化效果越好,理论上能够带来更好的冷却效果。     

反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义,然而直接测量热流存在很多困难,因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果.首先,通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法,建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型,采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性;然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验.除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2.9%,反演效果非常好;对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演结果.      

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

空间领域用高性能聚酰亚胺薄膜现状与发展

新型材料发展是推动航天器发展的动力之一。聚酰亚胺薄膜被誉为新一代的“黄金膜”,广泛应用于航天航空、电子封装、新能源等重要领域。文章以航天器特殊环境用薄膜材料需求为背景,重点介绍几种新型聚酰亚胺薄膜特性及其在航天器中的应用,给出了高性能聚酰亚胺薄膜材料在空间领域里的应用前景。     

摄影测量技术及其在航天器变形测量中的应用

文章介绍了摄影测量技术的测量原理,系统调研了近年来摄影测量技术在国内外航天器变形测量领域的发展概况,分析总结了该技术的发展趋势和关键技术,并结合我国的具体国情提出了当前变形测量技术发展的建议,为我国在航天器大型复杂部件微变形测量技术的发展提供借鉴和参考。     

载人航天器放电调节器稳定性研究

电源系统的稳定性是保证载人航天器在轨飞行可靠安全的要素之一。文章研究了应用混合型功率调节技术的电源系统放电调节器的建模方法,获得了系统开环传递函数,进行了仿真验证,在此基础上分析了影响放电调节器稳定性的因素,表明系统中存在过大的延迟会使系统的稳定性大幅降低甚至造成不稳定,地面试验结果验证了此结论的正确性。