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。

可重用空间碎片抓捕机器人

随着世界几十年来航天事业的不断发展,空间在轨物体的数量急剧攀升,空间轨道可用资源日趋紧张,空间碎片问题日益凸显,对原本有限的空间轨道资源和在轨运行航天器的安全产生了严重威胁。本文从空间碎片危害、空间碎片清理任务推动捕获技术发展等角度阐述了空间碎片清除技术的研究背景;从捕获方式实现维度对飞网、鱼叉、机械臂等方式的关键技术进行分析和总结。针对现有捕获技术在空间碎片清除方面应用所存在的问题,从技术途径角度概括了该技术的未来发展趋势并提出了一种可重用空间碎片抓捕机构。

重力差异导致的航天器设备安装精度变化量评估

为评估在轨和地面环境间由于重力差异导致的航天器设备安装精度的变化量,对27颗已发射运行的小卫星在地面环境空载和满载状态下设备安装精度的变化量进行了统计分析,得到对数正态分布模型的线性回归关系和参数估计值。结果表明:用该模型预测的航天器设备安装精度在空载和满载状态下的变化量均值与实测值的相对误差不超过10.6%,说明对数正态分布模型可较好地表征航天器设备安装精度在空载和满载状态下的变化量分布。以上研究可为在轨设备安装控制提供参考。

小型可对接采样器容差性设计与仿真分析

针对深空探测领域中微量采样的要求,设计了一种多功能小型可分离和对接机构。该机构主要由主动端和被动采样端组成,主动端换向轴的花键设计可在一定范围内通过滚动角度调整实现容差对接,最终通过波珠螺丝与键和采样接口锁紧,被动采样端涡盘和卡爪可实现采样前将整个采样结构提出和空管后回收锁紧的功能。动力学仿真表明,主动端结构能在最大位姿容差条件下实现与被动采样端的对接,且摩擦系数是影响对接效率的主要因素之一,主动端的碰撞过程接触力为弱碰撞对接,并得到不同位姿偏差对主动端接触力的影响。

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。

空间弱撞击对接机构精度分析与优化

为研究弱撞击式对接机构(LIDM)在捕获阶段中的多约束精度优化问题,提高弱撞击式对接机构的运动传递性能与对接精度,综合建立运动学模型与误差传递模型,并根据误差传递模型研究工作空间中弱撞击对接机构的精度分布特征。为探求最优机械构型以进一步提高对接精度,建立精度传递性能评判标准,并利用改进后的遗传算法计算出在工作行程中的最优构型参数。利用MATLAB搭建运动学误差传递模型进行数值仿真,验证了该最优构型参数与误差传递模型的合理性与正确性。研究过程为研究空间对接机构的结构优化与工程应用提供了依据,具有一定的工程应用价值。

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。