Novel orbits of Mercury,Venus and Mars enabled using low-thrust propulsion

Exploration of the inner planets of the Solar System is vital to significantly enhance the understanding of the formulation of the Earth and other planets. This paper therefore considers the development of novel orbits of Mars, Mercury and Venus to enhance the opportunities for remote sensing of these planets. Continuous acceleration is used to extend the critical inclination of highly elliptical orbits at each planet and is shown to require modest thrust magnitudes. This paper also presents the extension of existing sun-synchronous orbits around Mars. However, unlike Earth and Mars, natural sun-synchronous orbits do not exist at Mercury or Venus. This research therefore also uses continuous acceleration to enable circular and elliptical sun-synchronous orbits, by ensuring that the orbit's nodal precession rate matches the planets mean orbital rate around the Sun, such that the lighting along the ground-track remains approximately constant over the mission duration. This property is useful both in terms of spacecraft design, due to the constant thermal conditions, and for comparison of images. Considerably high thrust levels are however required to enable these orbits, which are prohibitively high for orbits with inclinations around 90°. These orbits therefore require some development in electric propulsion systems before becoming feasible.     

脉冲推力轨道拦截可达性描述及求解方法

针对航天器单脉冲轨道拦截可达性分析问题,基于共面变轨、逆轨拦截假设,考虑能量、时间和交会角约束,提出了拦截航天器可拦截区和可发射区的概念。在航天器单脉冲空间可达范围的基础上,进一步考虑了目标轨道的约束,建立了目标轨道命中区的计算策略,对异面轨道交叉点为燃料最省点做出了解释。把拦截可达性相关的问题归纳为8个基本拦截问题,通过这8个问题的组合,描述了考虑能量、时间和交会角约束下拦截问题的可拦截区和可发射区的计算方法。采用圆轨道共面变轨、逆轨拦截场景进行了仿真验证,结果表明该方法能够快速有效地计算出约束条件下航天器的拦截可达范围,能够用于分析特定任务情况下的拦截可达性。     

轴对称推力矢量控制伺服机构空间运动解耦研究

针对由发动机摆动喷管矢量控制的两个伺服机构间的牵连效应导致的伺服机构运动耦合问题,提出了一种新型空间解耦计算方法。该方法利用欧拉角描述喷管姿态,通过空间齐次坐标变换矩阵原理对两路喷管伺服机构进行解耦计算,得到了两路伺服机构的伸长量解析解,确保了控制指令的精确,并通过ADAMS虚拟样机仿真验证了该计算方法的正确性。仿真实验结果表明,此计算方法与虚拟样机的仿真结果完全吻合,计算精度高,可以对喷管任意姿态进行运动精确控制。     

基于夏氏最小二乘的轨道控制力系数辨识

在航天器轨道捕获、轨道维持和空间目标碰撞规避中都需要进行航天器轨道机动。针对航天器轨道机动过程中推力器的推力系数为装订常数,没有根据在轨工作实际进行优化而导致出现较大误差的情况,对控制力拟合系数进行辨识,作为修正控制参数以补偿轨道控制误差的依据,提高轨道控制精度。统计分析在轨管理的典型航天器平台及其发动机的轨道控制历史数据,分析轨道控制理论和在轨控制数据拟合建立轨道控制经验模型,用当前可测量的系统输入和输出预测系统输出的未来演变,得到不同工作情况下实际轨道控制误差与控制参数及其他主要影响因素之间关系的经验公式,为轨道控制策略决策提供参考。选取轨道半长轴控制量300m以上和300m以下的两类近地卫星,对其轨道控制历史数据进行分析,经实际数据测试,采用夏氏法进行推力系数拟合后预测的速度变化量精度较高。该种计算方法利用了轨道控制历史数据,计算方法简单,提高了轨道控制速度增量的预测精度,对轨道控制实施具有参考意义。     

霍尔推力器羽流对S波段电磁波的衰减研究

霍尔推力器羽流对S波段电磁波信号有衰减作用,这对星上推力器与天线的布置策略有重要影响。为研究S波段电磁波的衰减程度,建立几何光路算法,对电磁波在等离子体羽流媒质中的传输衰减进行数值描述,并以试验所测的信噪比数据来验证算法精度。验证试验采用空间透射波法,在相同工况的试验与计算结果对比中,最大计算误差为26.1%,平均误差为7.3%;在趋势上,试验结果与计算结果保持一致。在此基础上,针对84个在轨典型工况进行S波段电磁波信噪比衰减计算,结果显示：羽流对电磁波的吸收作用是影响衰减的主要因素,衰减最大区域出现在天线位置0.3～0.6m、方向角15°～30°的区域,衰减值在-7~-4dB之间。该结果可为霍尔推力器与天线在卫星的布置提供参考依据。     

折射式二次聚光太阳能热推力器性能预示

针对折射式二次聚光太阳能热推力器,给出了太阳能热推力器(STP)性能预示的工程算法。计算结果表明,以氢气为工质,STP具有比冲较高(7500N·s/kg),推力范围宽(0.6～50N)的特点,并分析了聚光器的聚光比、太阳辐射能通量密度和工质气体的流量对STP性能的影响,得出了参数间的变化关系,为STP设计参数的选取和进一步研究提供了重要参考。     

基于面元法的分布式涵道推进系统进气道优化设计

分布式涵道推进系统被认为是一种高效率的动力布局形式,其中进气道如何使气流低损失地快速过渡到数个圆形截面的涵道风扇进口是一个亟需探索的设计问题。以分布式涵道推进系统进气道过渡段为研究对象,基于面元计算方法,发展了一种进气道内流动的快速数值预测手段。应用所发展面元法数值方法结合进气道的超椭圆参数化方法、自适应优化算法建立了分布式涵道推进系统进气道的无经验优化设计方法。以某型悬停状态的分布式涵道推进垂直起降飞行器为例,使用该设计方法实现了从无圆滑过渡的简单初始几何到气动指标符合优化预期的光顺几何的优化设计。基于RANS的三维数值分析表明：所优化设计的进气道相比于初始几何总压畸变系数(DC)从0.0086降低到0.0067,低于基于经验设计的参考几何（DC=0.0073）,且流场无明显分离及旋涡,确认了这种具有高时间效率的无经验设计方法的有效性。     

阴阳极进气量对附加场磁等离子体推力器性能的影响

针对附加场磁等离子体推力器阴阳极供气量对推力器性能的影响进行了研究。采用试验方法测量了稳态AF MPDT的束流参数以及放电电压、放电电流、附加磁感应强度等工况参数,测量计算了推力、效率等性能参数。通过改变阴阳极供气比例,分析研究了初始气体分布对推力器性能及物理机制的影响。研究结果显示,阴极供气比重增大时,推力器推力及效率相应增大,但增大到一定比例,推力器出现工作不稳定导致性能下降,说明阴阳极存在最佳的供气比例,表明供气比例对推力器性能具有重要影响。     

电负性气体等离子体推力器研究进展

目前广泛应用的电推力器中,大多采用加速单一正离子的方式来获得推力和相应比冲。该加速方式需要增设中和器,对喷射出的正离子进行中和以保持羽流电中性,否则将导致航天器自充电,对其通信和电子器件造成损害,并减弱加速场。为了简化系统结构,延长推力器寿命,提出了一种能够交替加速正、负离子来获得推力的电负性气体等离子体推力器。分析了该推力器的工作原理和加速过程,指明了包括电负性气体种类选取、电子过滤装置设计要求、如何施加周期性栅极偏置电压加速正、负离子以及合理诊断离子数密度等关键技术,为后续研究工作提供了参考。     

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。