航天器在轨服务捕获装置技术研究综述与展望

空间捕获装置是航天器在轨服务与维护任务的重要末端执行器，承担着捕获包括航天器、舱段、空间碎片及实验样品等多种目标的任务。根据被捕获目标的性质可以将捕获装置分为合作目标捕获装置和非合作目标捕获装置2大类。在捕获装置设计过程中，捕获目标是否具有特定的抓持结构则是捕获装置机构形式设计的先导因素，根据捕获目标是否具有特定的抓持结构，可以将捕获装置分为基于抓持结构的捕获装置以及非基于抓持结构的捕获装置。以捕获装置工作原理与捕获目标类型为分类依据，对捕获装置进行分类，分别阐述了其技术原理与关键技术，并对各类捕获装置进行了对比分析，根据分析结果指出了捕获装置未来的发展方向。     

基于LEO辅助的北斗B1C高灵敏快速捕获算法

随着低轨(LEO)卫星数量的不断增加,利用LEO星座辅助增强GNSS导航性能已经成为一种新的趋势.针对低信噪比环境下B1C信号难以捕获的问题,提出了一种基于LEO辅助的B1C信号高灵敏快速捕获算法.首先对提升接收机捕获灵敏度进行了分析,对比了相干积分与非相干积分对于信号处理增益的影响,得出在低轨导航增强信号的辅助下采用增加相干积分时间的捕获算法对低信噪比条件下B1C信号的捕获更有效.然后提出了一种基于LEO辅助的B1C高灵敏快速捕获算法,从理论分析和实验仿真两方面,对比验证了在LEO辅助下可以显著提高B1C信号的捕获灵敏度,缩短捕获时间,提高捕获效率.     

舱外服活门组件密封粘接研究

针对舱外服活门组件的密封粘接及工作环境要求，对HXJ-14、HYJ-51和FHJ-75三种增韧改性环氧胶黏剂开展了特种胶黏剂选型及典型环境性能研究、典型粘接样件粘接面结构设计和粘接工艺优化研究。结果表明：优选出的HYJ-51胶黏剂具有良好的粘接性能、耐交变温度循环性能、耐湿热环境性能、耐介质浸泡性能，满足舱外服活门组件密封粘接要求。在典型活门粘接组件中，控制聚四氟乙烯滑套和不锈钢阀体的配合间隙为0.1~0.15 mm，并且在不锈钢阀体粘接面上增加环形槽结构，可以有效减少粘接面的缺胶面积，避免形成贯穿性通道，提高活门组件粘接的密封可靠性。经过产品生产验证，实现了活门组件的可靠密封粘接，成功用于航天员舱外服生命保障系统。     

耐高温复合材料在火星探测器着陆器减速伞筒盖结构上的应用

针对火星探测器着陆巡视器减速伞筒盖结构在轨运行耐温度交变、辐照等空间环境和再入过程耐温度冲击性能需求,重点开展了筒盖复合材料耐温匹配性、力学性能、耐空间环境性能以及制件成型工艺研究。结果表明,选用J-168-1胶黏剂、J-245胶黏剂及T300/QY8911复合材料制备的试件通过各项性能试验考核,均能满足筒盖结构的设计指标要求。筒盖产品力学性能稳定,成型工艺可行性良好,最高瞬时使用温度可达200℃,经历空间环境模拟后力学性能保持率均在80%以上,耐高温、耐空间环境性良好。产品已成功装星发射,并在着陆巡视器落火阶段成功弹出分离,圆满完成使命。     

激波风洞两级入轨飞行器纵向级间分离试验技术

高超声速多体分离问题是航天多体飞行器研发中的关键技术问题，基于分离过程中高速流动的复杂性，对高速多体分离的风洞试验研究极具挑战性，特别是激波风洞分离试验。激波风洞具有高速、高焓试验气流特点，更准确评估高超声速分离气动力/热特性，但是其有效试验时间短（ms量级），进行主动式动态级间分离试验极其困难。提出一种应用于激波风洞主动式多体分离试验的高速气动发射系统（HPELS），使得模型在短试验时间内完成主动分离测试，详细介绍了HPELS延迟时间、模型分离时间等精确的时间标定及时序控制方法。针对分离过程中模型的运动轨迹及气动力参数的高性能评估，发展了基于纹影图像的非接触式分离运动轨迹捕获及气动力参数测量技术。两级入轨（TSTO）飞行器的安全级间分离是典型的高速多体分离问题，设计了并联式TSTO飞行器并针对作者提出的纵向分离方案，在JF-12复现飞行条件激波风洞验证了高速动态多体分离试验技术应用的有效性，同时首次在激波风洞对TSTO纵向分离方案进行了原理性验证。初步对比结果显示，试验结果与数值计算结果具有良好的一致性。     

高超声速风洞双体同步分离捕获轨迹试验技术

为了更准确地模拟质量与体积相当的高超声速飞行器多体分离过程，在国内首次研发了高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术。通过将风洞前室总温总压信号及模型天平测力信号等的数据采集、实时气动及动力学解算、上/下机构联动组合控制、上/下机构运动分配四项关键功能融为一体的设计方式，建立了Φ1 m高超声速风洞双体同步分离试验平台。结合两级入轨空天飞行器标模的多体分离特性研究，开展了马赫数6条件下典型状态的双体CTS(captive trajectory system)试验验证。验证结果表明建立的高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术较好地获得了飞行器两级分离轨迹及气动特性，纵向气动力试验精度优于4.8%、力矩优于6.2%，纵向捕获轨迹预测精度优于8.7%，可以满足高超声速飞行器两级分离过程中均有较大位姿变化的多体分离模拟。     

环氧树脂改性交联剂的制备及其对室温硫化硅橡胶性能的影响

力学性能差是制约室温硫化硅橡胶应用发展的主要因素，而交联剂结构对力学性能有重要影响。为提高室温硫化硅橡胶的力学性能，本文以环氧树脂E-44与氨丙基三烷氧基硅烷为原料通过开环反应合成了一种改性交联剂（E44-APS），通过红外光谱、核磁氢谱确定了E44-APS的结构，并研究了E44-APS交联剂对室温硫化硅橡胶拉伸性能、固化性能、接触角、表面形貌、热稳定性的影响。结果表明，随E44-APS含量增加，室温硫化硅橡胶的拉伸强度先增加后降低，当E44-APS用量为10% 时，拉伸强度和断裂伸长率最大可达0.47 MPa和306%；固化时间随E44-APS用量增加而增加；5%热失重温度随E44-APS用量增加而降低；接触角随E44-APS用量增加先降低后增加。上述结果表明E44-APS可有效提高室温硫化硅橡胶的力学性能，同时会带来一些负面影响，如固化时间延长和热稳定性下降及疏水性下降等。     

基于修正瑞利分布的S/Ka双频天线捕获概率分析

为了满足星地链路间海量数据的传输需求，数据传输频段已由传统的X频段扩展到Ka频段。Ka频段卫星目标具有窄波束、高动态等特性，对地面接收系统的捕获跟踪性能提出了更高要求。针对Ka频段的不同工作模式，对捕获过程中天线跟踪精度、电轴一致性及搜索捕获范围等影响因素进行了分析，提出了一种近似为修正瑞利分布的捕获概率模型。仿真分析了不同影响因素对目标捕获的敏感性，总结了Ka频段捕获概率的性质。最后对某设备实际跟踪情况进行了验证分析，为有效提高Ka频段捕获跟踪能力提供了分析依据。     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。