新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

空间事业的发展对航天器环境工程提出了新挑战,同时也为该专业技术进步和领域延展提供了难得的机遇。近10年来,伴随着载人航天、深空探测等一系列重大航天工程的顺利实施,中国航天器环境工程领域在诸多方面取得了长足进步。文章回顾了中国航天器环境工程的发展历程,围绕中国空间站长期运行、深空探测新任务、低轨巨型星座建设等提出的新需求,分析了航天器环境工程将面对的挑战和必须突破的关键技术。结合具体工作内容介绍了北京卫星环境工程研究所在LEO辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、火星探测器特殊力热环境试验技术和航天器产品环境试验ISO标准等方面取得的最新进展。在建设航天强国的过程中,航天器环境工程必将伴随着航天器整体技术的升级实现更高水平的跃迁。

航天器用界面导热填料应用状态接触传热系数分析

为解决航天器用RKTL-DRZ-2型导热脂及RKTL-DRNJ-1型导热凝胶2种新开发导热填料无实际应用状态下接触传热系数数据的问题,采用试验方法对其接触传热系数进行研究,得到在航天器上设备典型尺寸及不同固定螺钉分布情况下的接触传热系数。试验结果表明:在相同安装状态下,与目前常用的RKTL-DRZ-1型导热脂相比,RKTL-DRZ-2型导热脂对界面接触传热性能改善效果较好,RKTL-DRNJ-1型导热凝胶较差。此外,获取了保证导热填料填充效果的实施经验,并给出了导热填料的选用建议。试验分析结论可应用于选用导热填料时的航天器热设计及热控实施。

一种航天器在轨环境下结构变形的反演方法

为实现航天器在轨结构变形高效计算,提出一种基于神经网络的结构变形反演方法:借助有限元分析法获得结构在不同温度载荷作用下的变形分布特征,并利用获取的数据对输入和输出间神经网络进行训练,获取高精度的代理模型。利用该模型,可以在轨测量的温度作为输入,实现对航天器结构全场变形的快速反演;可通过引入合适参数的高斯噪声,增强神经网络对于输入误差的适应能力;可用改进的连接权值分析方法,给出确定传感器数量下,实现变形反演精度最高的结构温度测点的布局优化方案。综上,该反演方法具有精度高、实时性强、受输入误差影响小等优点,其应用对于提升遥感卫星的成像质量具有重要意义。

航天器复合材料桁架连接增强方法与验证

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应力的目的。针对3种连接增强方案,投产了相应的试件开展性能测试。经试验验证,胶接增强设计方法能够有效提高承载能力33%~66%,极限拉脱力达到200 kN,可为大型航天器主承载桁架研制提供参考。

航天器轨道追逃动力学与控制问题研究综述

随着航天器交会与接近操作技术的快速发展,轨道追逃问题逐渐成为航天领域的研究热点。从动力学与控制视角,对航天器轨道追逃问题的研究现状进行综述。给出了基于定量微分对策的轨道追逃问题模型的一般形式,系统梳理了各种类型的轨道追逃问题;对于追逃策略求解,分别针对闭环策略和开环策略,分析了各种方法的优缺点;围绕人工智能算法与轨道追逃问题的结合,阐述了基于深度神经网络和强化学习的轨道追逃策略的研究现状。关于未来展望,提出了追逃博弈态势分析、多航天器博弈控制、三体条件下博弈动力学与控制等发展方向。

液体大幅晃动充液航天器分数阶滑模姿态机动控制

研究部分充液航天器存在系统参数不确定、外部未知扰动、液体燃料大幅晃动的姿态机动控制问题。首先,将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立刚-液耦合航天器动力学方程;其次,针对充液航天器姿态稳定问题,提出一种具有固定时间收敛的分数阶非奇异快速终端滑模算法;同时,设计扰动观测器来估计系统的综合扰动,并且利用径向基函数神经网络来估计液体大幅晃动引起的扰动;设计Lyapunov函数分析并证明系统固定时间稳定性;最后,通过对比的仿真结果验证本文提出控制策略的可行性和有效性。

非受控航天器姿态运动演变及影响因素分析

非受控航天器抢救是保护空间资产的重要手段之一,分析并确定目标的姿态运动状态对于失效航天器抢救十分重要。本文针对非受控航天器姿态运动及相关影响因素进行了梳理和总结,分析了空间环境干扰和航天器组件干扰的影响效果,并以SAST-1000平台为例,对以上干扰影响进行了综合分析,给出了特定情况下航天器的姿态运动模型简化方案和不同扰动对于动量矩和转动动能的影响情况。

航天器用钾热管传热性能的敏感性分析和优化

碱金属热管在空间核电源系统中具有重要应用,是航天器辐射散热器的重要组件。文章研究钾热管对充液率、吸液芯层数、吸液芯丝网目数及热负载功率的敏感性,并对上述多参数耦合下钾热管传热性能进行优化。分析结果表明:钾热管温差随充液率和吸液芯丝网目数的增加而降低,随吸液芯层数和热负载功率的增加而升高,且钾热管的整体温度和蒸气流速随热负载功率的增加分别升高和降低。钾热管性能对吸液芯层数和热负载功率敏感,优化得到最优参数组合为充液率1.0时7层350目吸液芯和712.475 W的热负载功率。文章采用的分析和优化方法对热管式辐射散热器的工程应用设计具有工程参考价值。

大型航天器结构热稳定性试验系统设计与实现

结构形面热稳定性是航天器结构设计的重要指标之一,对航天器在轨真空低温环境下功能与性能的实现具有重要作用,为确保航天器结构热稳性设计的正确性,需在地面开展空间环境热稳定性测试试验;针对大尺寸结构高精度、高频率热变形测量需求开展研究,采用光学摄影原位变形测量技术,设计了多相机融合测量系统架构及测量方法,有效保证了大型结构最优变形测量场的构建,并通过系统机电、图像采集装置的智能化同步控制设计,实现了图像数据的空间位置属性的自动匹配;通过试验验证,结果表明该系统可满足真空低温环境下尺寸不小于4 m的瞬态、高精度结构变形测量,最小测量周期可达90 s,单向测量精度优于28μm,测试过程运行稳定可靠。

航天器密封舱水分含量测量与除水工艺方法研究

航天器密封舱在进行真空热试验时处在真空容器内部,常规的水分含量测量和除水方法均无法满足密封舱除水要求。本文针对航天器密封舱在真空热试验时的除水难题,设计了一套适合密封舱内水分含量测量的装置,经过标定确保其满足真空环境下水蒸气含量的测量要求。设计的密封舱除水系统通过双向密封法兰与密封舱连接,可以在真空容器外完成对密封舱的除水。试验验证结果表明,该除水方法能够保证在真空热试验过程中密封舱内气体的露点温度低于0℃。

失效航天器接管控制技术发展综述

失效航天器接管控制对于实现航天器的在轨延寿、避免有效载荷的浪费、实现有限轨道资源的占位再生和维护太空安全意义重大。本文在系统分析各类失效航天器接管控制手段特征的基础上,按照接管控制过程中是否发生接触现象,将接管控制分为接触式和非接触式两类。随后介绍了各类接管控制手段的特点,归纳了航天器接管控制任务中涉及的关键技术,给出了未来航天器接管控制的智能化和自主化发展方向。本文有望为未来开展失效航天器接管控制任务提供技术参考和依据。

航天器多级自由边界模拟系统姿态平衡协调控制

为了消除天地力学环境不一致对航天器在轨运行精度的影响,需要在地面开展航天器在轨微振动环境模拟试验,因此针对航天器的设施部分和平台部分,在航天器上、下两端建立了自由边界模拟系统和自动控制模块,通过力闭环和位移闭环对航天器重力卸载过程的平衡协调控制算法进行了设计和实施;并通过硬件设施搭建和软件程序编写完成现场试验,验证了控制系统的可行性和稳定性,也为未来航天器地面模拟试验中重力卸载过程控制系统的设计提供技术支撑并积累了工程经验。

基于强化学习的航天器姿态预设性能容错控制

针对惯量不确定性和执行机构故障的航天器姿态控制问题,提出了一种基于强化学习的预设性能容错控制方法。采用预设性能方法设计航天器的姿态控制器,以保证控制过程的暂态响应。为在线补偿惯量不确定,在预设性能控制器的基础上引入强化学习算法,使用评判网络近似代价函数,用于评估系统性能,同时使用动作网络产生前馈补偿控制,用于处理惯量不确定;设计自适应补偿控制,补偿执行机构故障和外扰动对航天器姿态的影响。基于Lyapunov稳定性理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真结果表明:所提容错控制方法能够实现航天器执行机构故障情况下的稳定控制。

基于SGCMGs的挠性航天器预定时间滑模姿态机动控制

针对挠性航天器中存在的外部时变干扰影响因素,提出了一种预定时间滑模姿态控制方法。设计自适应律估计未知干扰上界,并在控制器中对其进行补偿,以抑制外部干扰对系统的不利影响。同时,在挠性航天器姿态机动控制方案设计和稳定性分析过程中,引入对执行机构单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)动力学因素的分析,相对于已有方案更贴合实际应用。进一步地,该文采用Lyapunov理论证明了系统实际预定时间稳定。仿真结果可得,该文控制方案可使系统获得较高稳态精度,并可实现姿态快速机动。

基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制

针对受扰动下的多航天器系统姿态一致性跟踪问题,提出一种基于干扰观测器与固定时间理论的分布式姿态协同控制策略。多航天器系统在空间中易受太阳光压、重力梯度与地磁力等外部干扰影响而导致控制精度下降,此外航天器内部惯量不确定性带来的影响也不可忽视,因此设计一种基于二阶积分滑模的干扰观测器对复合干扰进行快速精确估计,且该观测器无需任何干扰先验信息。利用观测器获得的估计值,结合领导跟随法,提出一种分布式固定时间姿态协同控制器,实现系统固定时间收敛,收敛时间可通过控制参数进行调节。利用Lyapunov函数证明了系统的固定时间稳定性。仿真与对比试验结果表明,干扰观测器能在较快时间内实现对复合干扰准确估计,协同控制器能在固定时间内实现对期望姿态鲁棒跟踪,与自适应有限时间方法相比,该控制策略精度更高、收敛速度更快和燃油消耗更少。

基于知识图谱的航天器数字资源建设

随着我国航天事业的蓬勃发展,航天技术已居世界前列。以资源数字化与知识图谱工具的使用为驱动,实现航天器数据的深度挖掘与展示,将航天器数据资源构建成可共享的立体数字资源。以公开的航天器数据为研究对象,采用深度学习模型进行信息抽取,借助Protege构建航天器本体,结合Neo4j数据库构建航天器知识图谱。航天器知识图谱能够提高航天器数据资源的数字化再利用,同时也能利用航天器知识图谱来对数据进行查询服务,能够实现未来航天器数据资源的数字化、智能化发展,进一步推动航天领域的发展和创新。

分布式航天器编队约定时间姿轨耦合协同控制

针对具有参数不确定性、外部扰动和预设性能需求的航天器编队约定时间姿轨耦合控制问题,本文基于预设性能控制方法提出了一种低复杂度的约定时间编队姿轨耦合协同控制器,使得航天器在设定时间内形成编队,且编队误差满足预设的各种性能指标.首先,通过结合有限时间稳定概念引入一种约定时间性能函数,其系统稳定时间可以由使用者任意设定;然后,把约定时间性能函数与预设性能控制方法结合起来,提出了不依赖航天器质量和转动惯量等信息的约定时间编队协同控制器,保证了编队状态量的收敛性能和收敛时间,并使用李雅普诺夫理论证明了其稳定性.最后,通过仿真验证了该控制方案的有效性.

基于残差自注意力和分离集合匹配的高效端到端航天器组件检测

随着我国航天技术的迅猛发展,各种航天器相继发射,然而航天器在运行时将受到辐射、温度变化等不可控因素的影响,这会导致地面站无法精确测量和定位航天器的位置与姿态,从而对通信和航天器之间的对接或抓捕等空间在轨服务产生影响。为了解决上述问题,首先对包含检测、分割与部件识别的航天器数据集SDDSP中的部件进行人工标注,该数据集共包含3117张航天器图片,标注后得到11001个检测目标;然后提出一种空间在轨服务中基于残差自注意力(RS)和分离集合匹配(SSM)的高效端到端航天器组件检测模型,该模型在Sparse DETR模型的基础上引入残差自注意力机制解决了稀疏标记(token)导致的收敛速度降低并影响模型预测精度的问题,引入分离集合匹配机制解决了二分匹配过程中可能出现的不稳定性现象。实验结果表明,在SDDSP数据集上,该模型的平均精确率(AP)和收敛速度相比于基线DETR模型提升了17.9个百分点和10倍,相比于Sparse DETR模型提升了3.1个百分点和20%。

航天器分系统级项目管理能力提升研究

1概述中国航天经过60余年的发展,取得了一系列举世瞩目的成就,航天事业的发展离不开项目管理的应用和发展。20世纪90年代开始,随着载人飞船任务的实施和新一代通信、遥感卫星研制任务的启动,我国航天事业发展进入一个新的阶段,特别是从载人飞船任务的研制任务开始,我国航天器研制项目管理体系不断完善,项目管理技术快速发展。随着中国空间站、探月工程、全球卫星导航系统建设等重大工程任务的实施,航天事业的项目管理技术、数字化管理技术等快速发展和应用,项目管理能力和水平得到了极大的提升。

《空间数据与信息传输系统 航天器SpaceFibre总线通信协议》国家标准解读

SpaceFibre总线是专门面向新一代智能航天器在轨海量数据可靠传输设计的新型超高速组网互联技术,其提供了优先级、带宽预留和时隙规划等多种服务质量保证机制,支持最高50Gbps的超高链路传输带宽,具备数据检错重传、链路状态机管理、多信道冗余与平滑降级等多层级容错机制,在航天器安全关键应用领域具有显著优势。制定GB/T 43670—2024《空间数据与信息传输系统SpaceFibre总线通信协议标准》,对于支持SpaceFibre核心芯片和网络系统研制,保证各类星载高性能处理设备之间高速通信接口一致性和匹配性,实现整星系统快速集成测试和不同航天器之间产品可重用性具有极其重要的意义。