空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证

针对滚珠直线导轨用于空间机构时的空间环境适应性问题,提出了空间机构用导轨设计方案,经导轨地面试验和产品在轨试验验证,该设计方案可以满足在轨使用要求,实现了导轨在真空、高低温等空间复杂环境下的长寿命应用.以空间站机械臂末端执行器用滚珠直线导轨研制为例,开展了导轨设计,并进行了导轨试验验证,确定了导轨采用滚珠溅射沉积MoS_(2)复合薄膜的固体润滑方案,间隙为0.04~0.05 mm,满足末端执行器在轨工作2000次以上的使用寿命要求.通过末端导轨试验可知,固体润滑的导轨载荷能力和使用寿命均显著下降,在空间机构用导轨研制过程中,须进行专项寿命试验,以验证导轨能否满足在轨使用要求.

地月空间全球治理规则框架构成要素研究

地月空间全球治理规则框架是构建地月空间治理规则体系的顶层指导,是争夺地月空间治理规则制定主导权的“先手棋”和关键所在,其构成要素研究具有重要意义。对政府间国际组织、重大国际合作项目、机构间和非政府3类不同平台的地月空间治理规则制定现状进行了综述,对《月球协定》《阿尔忒弥斯协定》等6个相关规则框架构成要素进行了研究,提出了涵盖4项基本原则和9类具体规则的地月空间全球治理规则框架构成要素,并给出了后续工作建议。

“国际空间站”延寿情况发展研究

“国际空间站”于2011年基本完成大规模组件的在轨组装工作,最初设计寿命为15年,鉴于其运行状态良好及巨大的应用价值,先后经历3次延寿。本文首先梳理“国际空间站”的延寿背景和概况,在研究其延寿审查情况的基础上,分析了延寿风险及应对措施。

一种用于中国空间站增强现实维护应用的自动跟踪框架

跟踪注册是增强现实(Augmented reality,AR)中一项至关重要的技术。基于人工标识和基于图像的注册方法已广泛应用于增强装配系统中。然而,由于空间产品的弱纹理、结构对称、数据有限以及难以张贴标识等特点,空间站的跟踪注册仍面临挑战。本文提出了一种专门为中国空间站诱导维修应用设计的三维物体跟踪方法,旨在用AR技术取代传统的纸质手册,为宇航员提供更直观的操作指导。本文提出了一种无标记的中国空间站智能维护方法。采用点对特征方法来估计初始帧姿态,不需要手动调整来获得相应的姿态,这对宇航员来说至关重要,因为在微重力环境中精确运动是一项重大挑战,而且结合曲率信息可以提高采用点对特征方法估计初始帧姿态的效率。通过结合纹理和区域信息,消除了对宇航员位置的精确限制,进一步增强了空间对称产品的跟踪鲁棒性。该方法利用点云匹配来估计第一帧的初始姿态,并在失去跟踪后重新计算姿态。一旦获得了前一帧的姿态,则仅根据二维图像的区域和纹理信息来计算跟踪,以获得实时跟踪。实验结果表明:本文方法与基于标识的方法具有相同的姿态趋势;基于电子游标卡尺测量之间的误差在毫米级;使用专门为航天产品设计的专用工具成功更换过滤器,证明了在空间站上实施诱导维修程序的实用性和潜力。

国际空间站舱外多载荷运行任务规划

空间站舱外载荷平台支持部署众多不同类型的载荷,为开展大规模空间科学研究提供了机会.但随着舱外载荷数量及相应任务量的不断增加,且在受限于资源约束的情况下,需要制定科学合理的任务规划,以提高舱外载荷的工作效率.针对舱外多载荷运行任务规划方法,深入分析了国际空间站舱外载荷任务规划现状,重点分析了其舱外载荷平台、载荷类型及特点和多载荷运行任务规划方法,分析当前任务规划策略、方法及未来发展方向.根据中国空间站舱外载荷平台特点,从载荷总体设计和运行任务规划方法等方面为中国空间站后续舱外多载荷系统运行任务规划提供参考和建议.

空间站舱段平转式转位方案设计与验证

根据我国空间站实验舱在转位前后对天/地指向不变的任务需求,提出舱段平转式转位方案,设计基于转位机构的舱段转位实现方案。转位期间,空间站组合体采用重力梯度被动稳定姿态飞行,解决姿态主动停控时空间站稳定指向的难题。通过设计选取合适的转位任务窗口,确保转位全程测控链路畅通、光照充足,以提高任务安全性和可靠性。地面试验和在轨实验舱转位任务实施,全面验证了空间站舱段平转式转位方案的正确性。

中国空间站2023:应用与发展

2023年是属于中国载人航天工程全新出发的一年,伴随着空间站全面建成、进入应用与发展新阶段,工程第三步任务目标圆满完成。上行的多项空间应用项目有序展开、成果频现。工程在应用与发展阶段开局之年,圆满完成了计划的各项任务,创造了多个“首次”——第三批航天员首次执行飞行任务、首次中国空间站慢直播.

问天实验舱空间科学实验与技术试验保障技术

问天实验舱是中国空间站的3个组成舱段之一,也是我国首个主用于开展空间实(试)验的载人航天器舱段。问天实验舱空间科学实验与技术试验(简称空间实(试)验)保障系统充分继承了我国载人航天工程前期的研制技术基础,汲取了国际上已服役空间站的经验教训,配置了门类齐全、体系完整、技术先进的舱内和舱外空间实(试)验保障资源,支持生命科学类、生物技术类、微重力流体物理、暴露实验等领域研究主题。对问天实验舱空间实(试)验保障技术概况、实(试)验载荷保障资源及在轨应用情况进行介绍,并对空间实(试)验保障技术特点进行分析,为有意向在问天实验舱开展空间实(试)验的研究人员提供参考。

空间站航天技术试验发展与展望

中国“天宫”空间站在2022年已全面建成,其丰富的应用资源为在轨技术验证提供了广阔的开放式试验平台。面向世界科技前沿和未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求,本文对国内外空间站技术试验的研究情况和发展态势进行了分析与总结,并在此基础上提出了中国空间站空间技术试验的发展思路,论证了空间站空间技术试验发展的趋势,对各研究方向的技术发展进行了展望,以突破一系列关键技术瓶颈,解决制约航天发展的“卡脖子”问题。为充分发挥空间站应用效益,支撑航天强国建设提供了有益参考。

国际空间站美国太空国家实验室运营与管理研究

国际空间站(International Space Station,以下简称ISS)是人类在近地轨道建造的第十个空间站,同时也是人类有史以来在近地轨道建造的最大飞行器。美国国家航空航天局(以下简称NASA)、俄罗斯国家航天集团公司(Roscosmo)、欧洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、加拿大航天局(CSA)直接参与了国际空间站大型模块的组装和建设。自1993年以来,美国已投入上千亿美元建造以及运营国际空间站,每年投入30亿-40亿美元。

空间站机械臂研究

空间极端环境下,大多数舱外活动必须借助于机械臂.机械臂是国际空间站的主要组成部分,其对空间站的在轨组装、外部维修以及运行起着至关重要的作用,同时机械臂可以减少航天员在舱外的工作时间和频率.通过对国际空间站成员国关于机械臂研究概况的介绍,包括航天飞机机械臂、空间站机械臂、欧洲机械臂、日本实验舱机械臂以及德国机械臂,为中国空间机械臂的设计提供参考.

航天器流体回路泵智能故障诊断方法

开展了航天器流体回路泵智能故障诊断方法研究,将BP神经网络、粒子群优化(PSO)-BP神经网络、遗传算法(GA)-BP神经网络和模糊神经网络4种模型应用于故障诊断,以温度、流量、出口压力、转速4类状态参数作为神经网络输入,状态标志作为输出进行训练,通过均方误差、相关系数、模型训练评分对模型训练效果评价,从而实现模型优选,完成故障诊断。利用在轨遥测数据进行应用验证,结果表明可以准确识别流体回路泵的正常和叶轮卡死泵功能丧失两种在轨实际状态类型,且模糊神经网络相对其他3种神经网络具有更好的诊断效果。

带间隙伸展机构的非线性动力学建模

首先对两类典型连接铰：旋转铰和滑移铰的物理模型进行了分析，得到铰间隙间相互作用力的关系，然后借助传统的有限元方法，建立了它们的有限单元模型，最后得到含铰接间隙大型桁架式伸展机构的普遍非线性动力学方程。

空间太阳能热动力系统的全局优化研究

为了为今后空间太阳能热动力发电系统的设计提供热能有效利用方案,提出了空间太阳能热动力发电系统的评价准则,建立了系统质量计算的数学模型,利用复形法编制了太阳能热动力发电系统的优化程序,运用该程序对太阳能热动力发电系统进行了全局优化分析,得到了系统各参数的最佳值和最佳工况下的系统部件质量。研究结果表明,全局优化可使系统发射总质量下降11.1％;发射总重量的评价准则综合考虑了系统质量和阻力面积,能够全面反映系统的经济性能,可以得到很好的优化结果。

空间站大型伸展机构动力学研究中的若干问题

由于空间站大型伸展机构运动中的时变性，其拓扑构形和系统的自由度都是变化着的，因而问题较定常构形动力学问题复杂得多。文章对航天伸展机构进行分类，并研究所组成的各类运行副，约束特点和约束方程及轨道、姿态、伸展运动的几何和运动描述；考虑柔性结构效应及热变形的动力学分析模型；还对连接间隙、摩擦、限位内碰撞、预应力、重力场及空气阻力的干扰进行分析；最后讨论了试验研究结论。

月面载荷被动热控技术

由于月面温度环境变化幅度较大,月面载荷需要通过被动热控装置有效控制其与外部环境的换热量,使其本体温度维持在工作或储存温度范围内。文章分析了月面载荷与外部空间环境换热方式;论述了低当量发射率多层隔热组件设计与结构组成;讨论了月面载荷最外表面辐射屏ε和αs特殊设计及对其表面辐射平衡温度影响;指出利用月壤恒温层及其特性,展开式外多层隔热组件可以在载荷所在月面处形成一个温度相对稳定的月面小环境,其平均温度与当地月壤恒温层温度相当。

空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性,采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型。使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形,应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程,并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程;针对柔性机械臂末端带有大负载的特点,将末端弹性变形引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离,应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶。提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题;分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性。数值仿真结果表明:空间站在转位过程中,系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大,且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围。结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考。

我国空间站安全与任务保证工作若干问题探讨

从我国空间站运营阶段对安全性、可靠性、维修性及质量保证(SRM&QA)工作的需求出发,在系统分析国外载人航天安全与任务保证(SMA)工作体系的基础上,总结国际空间站安全性可靠性工作的先进经验,并针对我国空间站对航天员安全、寿命与可靠性要求更高的需求,从管理和技术应用两个方面,系统论述了我国空间站安全与任务保证应重点开展的安全性、寿命与可靠性等工作。

基座弹性影响下空间站柔性关节机械臂的鲁棒自适应滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置、姿态均不控的空间站柔性关节机械臂系统控制问题。利用拉格朗日方法结合动量守恒定律,建立了弹性基座空间站柔性关节机械臂系统动力学方程。以此为基础,依据级联控制法,将系统分解为弹性基座刚性臂子系统和关节柔性电机转子子系统。对于弹性基座刚性臂子系统,为了主动抑制弹性基座柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的鲁棒自适应滑模控制器控制策略,由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对载体基座的弹性振动进行主动抑制,更适应于空间站柔性关节机械臂系统的实际应用。同时,针对系统参数未知的情况,利用级联控制方法能够有效地抑制柔性关节的振动。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。

空间站座舱大气再生技术实验研究

在分析与评价国外空间站座舱大气再生技术的基础上，采用固态胺二氧化碳控制技术、Ｓａｂａｔｉｅｒ二氧化碳还原技术、固体聚合物水电解技术所组成的氧气再生技术途径，对设想为三人容量的环境体系的大气进行再生，实验证明：所研制的氧气再生系统能满足设计所需的用氧要求，控制环境二氧化碳浓度低于 ０．５％，物质的回收率大于 ５９％，通过一定的改进，这一体系能满足空间站大气再生的要求．