多目标多约束组合体与飞船轨道维持优化

针对天宫二号/神舟十一号任务组合体运行与飞船返回要求,建立了升交点经度、轨道偏心率、指定时刻轨道高度及速度倾角等多目标特征参数的控制方程;根据组合体至飞船撤离准备各阶段的飞行特点,分析了近圆轨道偏心率中长期演化情况以及飞船返回双脉冲控制量随控制时间的变化规律,提出了通过两次组合体与飞船联合规划来满足不同约束的控制策略;根据撤离后飞船、天宫以及伴星的相对运动关系研究了结合规避控制的飞船双脉冲维持优化控制方案。最后依据神舟十一号任务的飞行过程,设计算例验证了该方法的有效性,具有较好的工程应用价值。     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

Time-varying solar radiation pressure on Ajisai in comparison with LAGEOS satellites

This study aims to investigate solar radiation pressure acting on the spherical geodetic satellites, Ajisai, LAGEOS-1, and LAGEOS-2. The solar radiation pressure coefficients ($C_R$) are derived in two independent ways: (a) through precise orbit determination (POD) using satellite laser ranging (SLR) data, and (b) through modeling using the optical properties of the satellite surface material. The average $C_R$ value of Ajisai (1.039), as calculated from the time series of $C_R$ POD estimates every 15?days, is consistently smaller than those of LAGEOS-1 (1.140) and LAGEOS-2 (1.103). This difference can be explained by the fact that the surface of Ajisai is mostly covered by mirrors. The Ajisai $C_R$ values estimated by POD show remarkable semi-annual variation, which disagrees with the results of a previous study (Sengoku et al., 1995) predicting that the $C_R$ of Ajisai varies almost annually. We attribute this semi-annual variation to two physical reasons: the non-spherical additional cross-sectional area due to the “attached fitting ring” and the low reflectivity of the surface material in the polar regions. Furthermore, the solar radiation pressure acting on Ajisai varies annually in a direction perpendicular to the sun-satellite vector. Finally, the two independent $C_R$ values of Ajisai agree more when we assume a total solar irradiance of 1361?W/m², whereas the value 1367?W/m² has been commonly used in POD.     

动基座下自调平台对方位角测量的影响分析

自调平台通过光电传感器敏感基座二维姿态的变化,根据基座姿态角的变化量,通过执行器件对框架进行回调,使工作台面处于水平状态。自调平台能够为动基座下的测量仪器提供水平基准,为这类测量仪器在动基座环境下的正常使用提供了可能,例如经纬仪类仪器在船上的应用。通过对自调平台调平过程的分析发现,在调平过程中,基座上被测目标与调平工作面之间存在一定的方位偏转,该偏转直接影响到测量结果,属于测量误差。分析出影响方位偏转量的各个参数,并分别对各参数的影响程度进行了阐述。最后,根据分析结果给出使用自调平台的注意事项。     

基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale（MMS）任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队,协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析。采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标——质量因子均值和平均边长均值的影响规律,并由此提出一种编队轨道优化设计方案,将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中。该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数（除相对半长轴外）,目标函数既考虑到四面体编队的平均性能,又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响。仿真算例显示,在不施加主动控制的条件下,利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的。     

对地观测卫星访问区域目标时间窗口快速算法

为减少对地观测卫星访问区域目标时间窗口的计算,根据建立的卫星对区域目标的观测模型,提出了卫星观测区域目标时间窗口的大圆近似快速算法,给出了算法具体步骤。仿真算例结果表明:时间窗口起点误差小于0.5 s,时间窗口长度误差小于0.723%,计算时间减少了99.87%.     

小推力轨道保持方法

对小推力轨道保持方法进行了研究。用快、慢变量控制器分别控制轨道要素的快慢变量,基于推导的经典轨道要素与2个推力方向角和最佳变轨位置的关系,给出了最优推力方向角的解析表达式。用Lyapunov反馈控制实现卫星轨道机动的轨道转移,并引入相位调整,实现了卫星的站位保持。仿真结果表明:基于Lyapunov的反馈控制可实现小推力轨道的转移和保持。     

基于对数螺旋线的非开普勒轨道设计

基于形状的方法为非开普勒轨道设计提供了一种全新的研究思路。在假定轨道形状为对数螺旋线的前提下设计了拦截轨道。首先通过无量纲化处理方法推导出了对数螺旋线轨道的地心距、极角随时间的变化率与轨道设计参数q的关系式;其次结合运动方程,得到了飞行器沿对数螺旋线轨道运行时需要施加的推力加速度;接着分别针对初始轨道是圆和椭圆的情况进行机动轨道设计。给出了轨道设计的仿真算例和相关分析,结果表明对数螺旋线适宜于拦截轨道设计;当初始轨道为大偏心率椭圆时,采用此方法设计轨道,在一定相角范围内开始机动,可使飞行器运行时间短,且燃料消耗少。     

基于均匀设计的空间目标监视卫星覆盖能力仿真分析

将均匀设计方法应用到空间目标监视卫星覆盖能力仿真分析中是一种有益的尝试。在本文中,提出了利用均匀设计方法安排试验、STK仿真软件模拟试验的研究思路,能够更简单、更省时地分析空间目标监视卫星覆盖能力指标与各影响因素之间的关系。通过回归分析与规划求解得到最好的覆盖能力指标及各因素配置方案,对空间目标监视卫星覆盖能力的提高、轨道部署的优化和应用的拓展很有裨益。
     

航天器舱体热密封结构多物理场耦合数值分析方法研究

综合考虑航天器舱体外围高超声速流动、密封带及舱体结构传热以及密封结构内部的空腔流动传热,提出航天器高温热密封结构的瞬态多物理场耦合分析方法。利用改进型Van Driest变换方法进行高超声速流动环境预测,基于高斯－赛德尔分块迭代耦合方法完成一体化耦合计算方法。采用包含不同材料结构部件的复合结构,计算了0～200 s内有无密封塞两种情况下的各部分结构的瞬态热传导过程。结果表明,密封塞的使用可显著降低空腔内的最高温度,瞬态变化情况的考虑更加准确地反映了各部分结构部件及内部空腔的温度变化情况。该文的计算方法可广泛应用于航天器热密封结构的传热特性分析,可为火箭等航天器上的高温密封部件设计提供有效的数值分析工具。