天舟货运飞船人控遥操作交会对接设计与验证

人控遥操作交会对接(RVD)是无人航天器与空间站自动交会对接的备份手段,提高了交会对接的可靠性与安全性。面向天舟货运飞船与天宫空间站,运用系统工程方法设计并验证了航天员遥操作交会对接与分离撤离功能,主要创新点包括:针对遥操作系统时延大的问题,采取精简系统信息主回路传输环节等措施,将系统总时延控制在1 s以内;针对船站近距离安全性的内在需求,提出了以安全性为核心、以状态转移图为工具的应急飞行方案设计方法,构建了飞行方案体系;针对遥操作交会对接系统复杂、大系统接口多的特点,提出了基于功能验证需求与地面验证条件匹配矩阵的系统级综合试验设计方法,构建了地面验证体系;针对交会灯功率不足导致阴影区远距离不能识别目标的问题,提出了空间站舱外泛光灯主动发光为主、交会对接敏感器合作目标被动反光为辅的方案。天舟二号货运飞船与天和核心舱在神舟十三号乘组操控下,圆满完成了遥操作交会对接与分离撤离在轨试验。

火星样品返回任务中样品捕获定向概念与验证

针对火星样品返回任务中样品捕获回收概念,提出了一种样品捕获定向系统架构,以实现火星轨道样品容器的在轨捕获、姿态定向,并将样品容器转移到封装桶内。该方案使用捕获盖进行样品容器的捕获;4个扇面形成可收缩的捕获空间,用于约束定位样品容器;扇面上的传送带与样品容器接触,利用摩擦力与突出挡条带动样品容器运动,传送带相互协同传动用于实现样品容器姿态回正,并转移到封装桶内。为了准确实现样品定向与直线转移,基于扇面转角测量信号制定了扇面与传送带的协调动作策略。设计和研制了样品捕获定向机构样机,测试验证了样品捕获、定向和转移功能。该机构具有质量小(<12 kg)、定向与转移功能集成度高、样品容器姿态回正适应性强、转移可靠性高等特点,可应用于火星样品返回任务。

一种基于约束规则的航天器全相位交会对接程序规划方法

针对载人航天领域交会对接过程,设计了一种基于约束规则的程序规划方法,将飞行程序按照相关性划分为飞控事件,将事件约束与时间或圈次解耦,形成适用全相位交会对接的规划配置体系,通过一套配置实现各正常、应急分支程序的规划生成,相比传统基于时序的程序设计方法,提高配置的适应性,提高程序设计效率,为后续交会对接程序规划设计提供参考。

自主交会对接若干问题

自主交会对接是交会对接技术的发展趋势。本文首先介绍了国际上自主交会对接的研究概况 ,然后研究了假设目标航天器为刚体 ,运动在圆轨道或近圆轨道上 ,追踪航天器与目标航天器在近距离范围内实现自主交会对接的若干问题 ,即信息自主获取的测量技术 ,智能自主的控制技术和保证飞行状态及避免碰撞的人工智能技术。为实现自主交会对接 ,智能控制是非常重要的手段。

航天器交会对接中测量靶标的两种设计方法

根据旋转、平移和缩放不变性、易于探测与高精度定位等原则设计出了两种用于航天器交会对接视觉测量的编码靶标。一种为圆形编码靶标,使用二进制相对编码的方法对靶标进行编码和解码。另一种为圆环形编码靶标,是一种具有坐标系的绝对编码,通过模版匹配实现解码。在不同条件下进行了实验,两种编码靶标都能被准确地识别。实验结果证明两种靶标具有很好的抗干扰性和稳定性,能够适应交会对接视觉测量的要求。

空间对接地面半物理仿真台系统仿真研究

飞行器空间对接地面半物理(HIL)仿真台是进行空间对接技术研究、对接机构地面检测以及对接过程的故障复现等多种用途的关键设备。论文阐述了飞行器空间对接地面半物理仿真台系统建构思想。在此基础上推导出空间对接地面半物理仿真台的空间对接动力学模型。基于物理建模的思想,用SimMechanics工具箱建立了空间对接地面半物理仿真台的机械系统,用Matlab/Simulink建立了控制系统模型,建构了虚拟空间对接地面半物理仿真台。采用滞后补偿等使系统的闭环动态性能达到要求。在空间对接地面半物理仿真台虚拟样机上,采用无阻尼振荡模型对空间对接动力学模型等进行了验证,对空间对接的缓冲过程进行了仿真。仿真结果表明空间对接动力学模型是正确的,空间对接地面半物理仿真台系统的建构思想是可行的。

高效反硝化聚磷菌株的筛选及其生物学特性

为研究反硝化聚磷菌的生物学特性，通过吸磷试验、硝酸盐还原产气试验及异染颗粒和PHB颗粒染色辅助检验，从稳定运行的厌氧／缺氧SBR反应器中分离筛选出4株高效反硝化聚磷菌H16、H19、H24和Xg．经鉴定，前3者属于假单胞菌属（Pseudomonas），后者属于肠杆菌属（Enterobacter）．测定了这4株菌的生长曲线，研究了温度和pH值对这4株菌的生长及除磷效能的影响，结果表明，菌株的生长最适温度均在35℃左右，除磷反应的最适温度均在25℃左右；在中温条件下，H16、H19和H24生长的最适pH为6～8，菌株xg生长的最适pH值为7～9；4株菌除磷反应的最佳pH值均为中性偏碱．

多冲量最优交会的动态规划方法

本文利用动态规划技术,研究了多冲量推力作用下燃料最优、固定点交会控制问题。与现有一些结果相比,这里提出的方法计算简单,而且适用于一般共面椭圆轨道情况,并保证全局最优性。

目标飞行器位置姿态的光学测量

本文回顾了航天器交会对接过程中,用光学方法测量目标飞行器位置姿态的已有工作,提出一种更优算法,给出了相应数学仿真结果。

类杆锥式对接机构捕获动力学分析与参数设计

针对面向在轨服务的小型航天器上使用的类杆椎式对接机构,给出了其参数设计及其动力学分析方法。采用虚功率原理和赫兹模型建立了对接机构的整体接触碰撞动力学模型,通过对不同初始条件下捕获阶段动力学仿真评价完成了缓冲阻尼参数的设计,实现了对接机构的整体性能满足设计目标要求。

基于碰撞概率的交会对接最优碰撞规避机动

发展了一种求解交会对接过程中最优碰撞规避机动的方法,可以在保证碰撞概率降低到安全值的前提下得到最优的避撞机动冲量。这种方法采用机动方向和机动大小分步求解的策略来计算机动冲量。机动方向通过求碰撞概率对于机动冲量的梯度得到,机动大小通过求解一个非线性方程得到。最后,采用这种方法针对交会对接中常用的径向冲量V-bar转移轨迹进行了碰撞规避机动计算,计算结果表明本文的方法能够满足交会对接碰撞分析的需求。

耐低温聚磷菌的研究

采用模拟自然降温方式,筛选出在低温（8℃）下仍具有高效能的两株聚磷J4与J6,除磷率分别达56%和54%.经鉴定,两者均属于假单胞菌属（Pseudomonas）.探讨pH、曝气时间和微量元素对这两株菌的生长及除磷效能的影响,结果表明,菌株J4、J6的生长最适pH范围为7～9,除磷反应的最佳pH分别为中性和中性偏碱;而曝气时间过长会造成聚磷菌的释磷;微量元素的有无对J4的生长和除磷率都有一定的影响,而对J6没有明显的影响.

针对失控翻滚目标航天器的交会对接控制

研究了一个受控的追踪航天器和一个失控慢速翻滚的目标航天器的末段交会对接控制问题。通过引入基于特征模型的控制方法,设计了相对位置跟踪控制器以及姿态同步控制器,克服了针对目标航天器测量中存在的较大不确定时延,航天器动力学参数的不确定性,以及追踪航天器存在的较大帆板挠性,实现了针对失控自旋目标的末段精确交会对接控制。最后,通过搭建仿真系统进行动力学仿真,进一步验证了本文控制策略的有效性。

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动,为此,建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型,并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析,并根据动力学的相似性,建立地面模拟实验系统,仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。

航天器交会对接发射窗口分析

分析了交会对接任务中航天器受到的主要约束条件,将约束条件与发射时间相关联,建立了交会对接任务中发射时间求解的数学模型,设计了发射窗口的求解方法,得到了满足各项约束条件的交会对接发射窗口,并进一步对交会对接任务目标航天器初始轨道对发射窗口的影响进行了分析。

基于虚拟样机的航天器对接转动模拟装置仿真研究

综合了计算多体动力学、计算结构力学、碰撞理论等多学科的知识,在 ADAMS/Solver平台上建立了航天器对接试验台滚转和俯仰转动模拟装置对接过程可视化动力学虚拟样机模型,建模过程中实现了 UG-MATLAB-ADAMS-ANSYS 的仿真环境相互集成。利用软件的各自优势完成了转动模拟装置的动力学特性分析;研究了关键性能参数如轴承摩擦系数对整个装置工作性能的影响。数学仿真和虚拟动态仿真的相互验证表明仿真结果是可信的。虚拟仿真结果验证了初始设计的可行性,确立了在物理样机设计中需要考虑的要点,为进一步的转动模拟装置的优化设计提供了设计依据。此外还解决了 ADAMS 仿真中轴承模拟等问题。

空间对接动力学半物理仿真基本问题及解决方案研究

分析了空间对接半物理(HIL,Hardware-In-the-Loop)仿真系统设计难点,将空间对接半物理仿真设计问题归纳为四个基本问题,即稳定性问题、动态复现精度问题、滞后补偿器的鲁棒性问题以及适应性问题。为了解决上述问题,作者阐述了空间对接半物理仿真系统设计思想,旨在空间对接频带范围内,消除或减弱仿真/硬件接口对半物理仿真系统的影响。在此基础上,确立了力和力矩传感器及其滤波器设计准则、数字控制采样频率的选取依据和运动模拟器的设计方案等。最后文章探讨了空间对接半物理仿真系统动态特性的验证方法。

一种用于空间系绳卷取的自适应机构

针对空间绳网系统的缆绳收口要求,介绍了一种由双转子电机、双卷筒和自由导绳套筒组成的自适应缆绳卷取机构,给出了机构的设计思路。通过建立其系统动力学方程,据此得到系统各状态变量的稳态解,理论和实验分析缆绳卷取过程的特性,证实此卷取机构的有效性和一定的适应性,为类似空间绳系的卷取机构设计提供参考。

空间飞行器对接动力学研究

异体同构周边式对接机构是目前飞船对接已经采用了的一种对接机构。本文详细地分析了具有这种对接机构的飞船的对接动力学。对接过程分三个阶段进行,捕获与接触;调整对接环;对接成功后的飞船姿态调整。 本文根据Jourdain—Bertrand原理推导并给出这三个阶段的对接动力学模型。同时,给出一组数字仿真结果。

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。