利用径向力平衡飞行控制的航天器高精度轨道捕获方法

为实现对探测器轨道形状与高度的精准调整,提出一种径向力平衡飞行的航天器连续推力控制新方法。建立连续推力平衡飞行的动力学极坐标模型,并推导出特殊条件下的解析轨道解,进一步分析边值条件,给出连续推力的控制律。利用这一平衡飞行控制理论,构建轨道捕获的最优控制策略。考虑推力器的推力水平,通过一次或多次的控制过程,实现对轨道形状、轨道高度及轨道相位的综合调整。数值仿真表明:利用平衡飞行的轨道控制方法,配置微小推力器的空间引力波探测器可以实现高精度的轨道捕获;该方法具有控制过程可解析、计算量小、简便、实用等特点。

基于吸气式电推进的超低轨飞行系统分析

超低地球轨道(超低轨,VLEO)飞行器对于高质量通讯、地球与空间科学观测具有重要意义.为了克服超低轨区域的高层大气阻力,使飞行器长期在轨飞行,吸气式电推进(ABEP)飞行器的概念被提出并被广泛研究.文章首先分析了吸气式电推进飞行器在150 km高度轨道的主要飞行约束,包括归一化的工质平衡和能量平衡,并提出了影响飞行器超低轨维持的主要因素.为了使有效载荷飞行器长期维持在150 km附近超低轨高度并保持一定的载荷有效覆盖率,提出了两种超低轨飞行系统方案,包括基于无线能量传输技术构建的飞行系统和近地点150 km椭圆轨道飞行系统.计算了相应的轨道高度限制并考虑有效载荷地面覆盖率给出了星座构建方案,评估了上述两种方案的可行性与综合效果.两种方案中,有效载荷均可以在150 km附近的轨道高度内长期维持地面覆盖率,可以为超低轨长期稳定的通讯网络构建、对地观测和相关科学实验提供条件.

共轨飞行航天器轨道特性分析

针对与空间站长期共轨飞行的航天器轨道维持问题,文章基于相对轨道参数演化方法,考虑J 2摄动、大气阻力、轨道机动等因素,推导了两航天器升交点赤经、倾角、相位、半长轴等参数间的解析关系,提出了一种共轨飞行的标称轨道设计方法和对应的维持策略,此外,进一步推导了定轨误差、控制误差、环境预报误差和面质比误差对共轨飞行轨道的影响。仿真结果表明:文章提出的解析计算方法与数值仿真结果相比具有较高的精度,给出的维持策略和误差分析方法简化了共轨飞行的轨道设计,在空间站共轨飞行任务中具有重要工程应用价值。

大气激光雷达热控设计与验证

大气激光雷达(ACDL)的构型复杂,周围热环境恶劣,激光器的散热及光学部件的温度控制是主要难点。利用热仿真软件对激光雷达进行了典型工况的热仿真分析,得到各主要部件温度分布情况:激光器底部的温度波动<0.5℃;接收望远镜主镜能够控制在20℃,温度波动0.1℃/轨。同时将热平衡试验结果及在轨飞行数据进行了比对,试验结果能够较好地包络在轨情况,验证了热设计的合理性及试验测试的覆盖性。

高分辨质谱在农药残留检测中的应用

高分辨质谱是一种将样品经色谱和部分质谱分离与离子化、再经质谱检测器得到图谱并实现对已知或未知物质进行定性、定量分析的技术。因其高通量、分析速度快、灵敏度高、分辨率高等特点,近年被广泛运用于农药残留检测中。本文综述了近年高分辨质谱技术在农药残留检测领域中的研究进展,对高分辨质谱应用于农药残留检测的相关文献进行了分析,总结了飞行时间质谱(TOF)和静电场轨道阱质谱(Orbitrap)及其与其他检测方法联用(如气相色谱、液相色谱等)检测各类食品中农药残留的应用情况,并对其未来发展方向进行了展望,旨在为今后相关人员开展农药残留检测提供参考。

地球同步轨道长寿命卫星热控涂层太阳吸收率性能退化研究

文章介绍了15年地球同步轨道环境对卫星表面太阳吸收率性能影响的试验模拟研究,研究结果为长寿命卫星热设计及热控涂层选择和研制提供可靠依据;介绍自行研制的空间低能综合环境试验设备、太阳吸收率原位测试系统和空间低能综合环境模拟试验方法,并对航天器常用的S781白漆、SR107ZK白漆、F46镀银和OSR二次表面镜热控材料进行空间低能综合环境模拟试验,获得了这些热控涂层在地球同步轨道15年期间太阳吸收率性能退化模拟数据,与已有的飞行试验数据进行对比研究,取得满意的结果。

超低轨道卫星应用离子电推进技术方案

低地球轨道大气环境对诸如科学探测和对地观测卫星的阻尼作用十分明显,而且阻尼随太阳和地磁活动以及昼夜、季节交替变化范围宽。为了保证卫星轨道精度或飞行状态满足任务要求,需要利用推进系统对卫星受到的阻尼进行实时或间歇式补偿以实现轨道或飞行状态的保持。针对轨道高度220~268 km的无拖曳飞行和轨道维持应用,基于卫星轨道阻尼变化和有效载荷指标要求分析,研究确定了离子电推进技术指标、推力调节方案、系统组成、推力控制方案和在轨应用策略,并对推力调节方案进行了试验验证。结果表明,与无拖曳飞行卫星任务匹配的离子电推进指标为推力调节范围1~20 mN,推力分辨率优于12μN,与对地观测卫星轨道维持任务匹配的指标为推力调节范围1~25 mN,推力分辨率100μN。研究提出的针对超低轨道卫星应用需求的高精度推力连续调节离子电推进技术方案,具有工程任务针对性和参考价值。

基于遗传算法的有限推力轨道拦截优化研究

遗传算法是一种具有通用性、鲁棒性及全局最优性等优点的自适应优化技术。文中建立了空间飞行器的有限推力轨道拦截数学模型,并以空间飞行器燃料消耗最小为优化目标函数,运用遗传算法对空间飞行器的拦截变轨参数进行了优化设计。为了解决轨道拦截这一多约束优化问题,在遗传算法中引入了罚函数方法,并通过动态改变算法参数来改进优化的收敛性。在对低地球轨道目标的拦截仿真中,选择发动机燃料质量秒耗量、推力作用方向和作用时间为优化参数,仿真结果证明了该方法在带约束有限推力轨道拦截优化中的有效性。

编队飞行卫星群构型保持及初始化

导出了基于相对轨道要素的编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动方程 ;提出了编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动控制策略 ,利用不同方向的脉冲控制相对运动的轨道参数 ,包括轨道平面内机动和轨道平面外机动控制。根据相对轨道要素的变轨机动控制 ,进行编队飞行卫星群构型的初始化。这样的构型初始化可以视作一次特殊的变轨机动控制 。

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径、轨道速度等参数随时间或极角(绕地心的转动角)的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。

编队飞行的小卫星精确定轨方法的研究

针对编队小卫星间的相对飞行特点,在Hill方程描述编队飞行小卫星间相对运动的基础上,提出利用星间无线电测距的相对自主定轨,来获得环绕小卫星精确轨道的卫星定轨方法。通过具体仿真计算,并与小卫星GPS自主定轨方法相比较。仿真结果表明,此方法确实有效。

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。

利用参照轨道要素设计卫星编队轨道

利用球面几何方法,引入参照轨道要素概念,给出其定义,并推导了用其描述的从星相对运动方程的精确形式。在主星偏心率为零时,根据编队飞行中相对轨道倾角很小的特点,对相对运动方程进行简化并分析相对运动的特征。设计了由一颗主星和六颗从星构成合成孔径静止侦察卫星的编队应用,给出编队队形特征和主星的轨道参数,从相对运动方程计算出编队中的六颗从星的轨道要素。数值仿真结果表明:简化的方程具有很高的精度,对编队队形设计问题完全适用。

多星编队相对轨道的自主确定

编队飞行的相对轨道确定具有重要意义。针对编队应用中多颗环绕星相对中心星的自主定轨问题进行了研究,提出引入环绕星间相对测量信息的分布式滤波方案。设计了二级滤波器,利用环绕星间测量信息提高一级滤波得到的环绕星相对轨道的确定精度。仿真结果验证了这种导航方案的有效性。

编队飞行队形设计一般化方法

首先 ,在合理的假设条件下 ,基于运动学关系推导了环绕卫星相对参考卫星的相对运动方程 ;然后 ,给出了编队飞行队形设计一般化方法的具体计算公式 ,利用此方法 ,能在参考轨道为圆或椭圆轨道的情况下 ,直接求出编队中所有卫星的轨道参数 ;最后 。

椭圆轨道编队的构形变化控制方法

推导了椭圆轨道编队的一些典型构形模态,指出椭圆轨道卫星编队的模态不同于圆轨道的构形模态,是极为丰富的。基于T-H方程的解析解,推导了副星在沿航向常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。推导的构形变化控制方法,通过合理的选择控制量的作用时刻,可达到大量节约燃料的目的。最后,给出仿真算例。

利用改进遗传算法优化载人机动装置飞行轨迹

为保障航天员的生命安全,载人机动装置(MMU)必须实现安全飞行。利用改进遗传算法,对载人机动装置执行救援任务的飞行轨迹进行分析研究和优化设计,得到了能够避开障碍物安全返回舱内的救援轨迹,并进行了仿真验证。结果表明,该算法可以实现载人机动装置飞行轨迹安全。

超低轨吸气式螺旋波电推进概念研究

文章提出一种超低轨卫星飞行轨道维持新概念——吸气式螺旋波电推进技术,将轨道残余大气作为螺旋波电离的工质,通过螺旋波加速电子形成的电双层加速离子产生推力,维持卫星在超低(180~260 km)轨道的长时间运行。吸气式螺旋波电推进的核心技术是采用收缩进气道与螺旋波电推进一体化结构,利用螺旋波电离产生的前向逃逸等离子体在进气道中形成预电离鞘层区,部分电离气体的密度扰动以离子声速向下游传播,导致进气道内不再出现激波界间断面,进入收缩进气道的气体被高效收集到螺旋波电离放电管,电离加速形成推力,来维持超低轨卫星的长时间在轨运行。

相对轨道自主确定方法的改进

编队飞行卫星相对轨道的确定具有重要意义。本文提出一种完全自主的定轨方案,在利用星间测量信息实现编队飞行卫星自主定轨的基础上,引入太阳敏感器测量信息,利用扩展卡尔曼滤波算法提高环绕星相对轨道确定精度。仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。

对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。