分块式空间望远镜技术研究现状及其发展趋势

大口径空间光学望远镜是实现高分辨率遥感与高灵敏度探测的重要科学仪器。传统的整体式望远镜口径超过4 m将难以突破现有运载器整流罩有效包络的限制,采用分块式的技术手段可以在满足运载能力的前提下实现口径最大化,是解决当前望远镜高分辨率与高信息收集能力的最优选择。文章先从部署形式上对分块式空间望远镜的国内外研究现状进行了梳理,归纳出分块望远镜在技术实现路线上的技术类型和特点,分别对高精度机构展开技术、机器人智能装配技术、波前检测与调控技术以及超轻可调分块镜技术进行了技术内涵及实现技术途径分析,最后面向未来远景目标,对分块式空间望远镜的技术发展作了展望。     

一种空间超大型可展开柔性聚光器

面向空间太阳能电站（SSPS）对大口径太阳能聚光器的应用需求,提出一种超大型、轻量化、高精度的空间可展开柔性聚光器的新构型。采取理论建模、计算仿真、优化设计相结合的方法对其抛物面构型原理、展开机构折展原理、展开态结构稳定性、动态聚焦精度等问题进行研究,并完成大口径可展开柔性聚光器的设计。提出了基于多层弹性花瓣镜体复合结构的大口径柔性聚光器优化创新设计方法。由于采用薄板柔索结构,本聚光器具有精度高、展收体积比大、质量轻、在线控制简单等优点,为空间太阳能电站千米级聚光器提供一种创新设计方法。     

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

球铰接杆式支撑臂展开过程中横向振动分析

针对展开过程中球铰接杆式支撑臂时变构型的横向振动问题,推导了支撑臂等效连续体模型的各向等效刚度,基于Hamilton原理推导了支撑臂展开过程的控制方程,采用加权余量法将偏微分控制方程转化为常微分方程,利用Runge Kutta法对方程进行了数值求解。计算结果表明：在收拢过程中,支撑臂末端的横向振幅越来越小,收拢过程是安全可靠的;而在展开过程中,末端的横向振幅随展开进程而增加,且振幅随末端负载质量增加而增加;若不考虑锁定冲击,展开速度对支撑臂横向振动的振幅影响可忽略,若考虑锁定带来的周期性冲击时,支撑臂的横向振幅将显著增大。为减小支撑臂的横向振动,必须对支撑臂展开速度加以限制。研究结果为航天器支撑臂在轨展开的控制提供了参考。     

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。     

一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨展开试验

文章对中国“新技术验证一号”卫星搭载的一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨试验情况进行了介绍。重力梯度杆在小卫星控制领域中具有较好的应用前景,而充气结构具有轻质、占用空间小、发射成本低的特点,采用充气式重力梯度杆可避免传统机械式重力梯度杆质量重、尺寸大和机构复杂的缺点,它以充气伸展臂为主要结构形式,通过充气展开伸直成为重力梯度杆,既作为卫星重力梯度杆又通过在轨试验验证空间充气展开结构的性能。在轨试验结果表明充气式重力梯度杆展开稳定、有序、性能可靠,可以满足小卫星的性能和功能要求。该试验也是中国首个成功的充气展开结构在轨技术验证试验,标志着中国的充气展开结构技术初步具备了工程化能力。     

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.     

IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示

分析了国外太阳帆的发展现状,重点论述了世界上首次成功飞行的太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器（IKAROS）的总体设计、材料设计、空间展开和姿态控制等关键技术,以及中国开展太阳帆和空间大型展开结构的总体设计、空间展开、姿态控制、空间环境适应性等关键技术,提出了系统开展以太阳帆为代表的大型轻质展开结构研制与应用的建议。     

一种空间可展开桁架结构杆件热膨胀系数的优化设计

文章就一种空间可展开平板天线支撑桁架结构的热膨胀系数设计,针对传统靠经验试凑的情况,提出了一种热膨胀系数优化设计方法。该方法首先通过分析计算各杆件轴的热膨胀系数对热变形的影响(即计算热变形对杆件轴向热膨胀系数的敏度),根据敏度绝对值的大小对杆件进行分组;其次,在给定最大热变形约束下,将敏感杆件组的热膨胀系数设为设计变量进行优化,计算杆件热膨胀系数极值,从而确定其所能允许的可行范围;最后对计算所得的热膨胀系数范围进行了校验和参数分配,经计算,在此范围内取值符合最大变形约束要求。     

太阳翼展开过程中锁定冲击载荷研究（英文）

针对一类典型太阳翼,采用NASTRAN和ADAMS软件建立了太阳翼展开锁定通用分析模型;提出了一种改进的铰链建模方法,能够考虑铰链的所有重要刚度系数;最后,研究了有限元模型导入柔性多体模型的模态数、计算步长、铰链刚度和模态阻尼等参数变化对锁定冲击载荷的影响。通过分析可知,计算时需选取足够多的模态数及足够小的计算步长,还要采用较小模态阻尼,以得到冲击载荷的保守设计值。此外,地面试验得到多组刚度测试结果时,应选取最大刚度试验值,以得到保守结果。研究表明,文章采用的太阳翼展开锁定模型能够得到更准确的冲击载荷结果,并易于实施。