第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛:地月空间助力火星移民和近地小行星探测

本文首先简要介绍了全国(中国)空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目,回顾了竞赛组织历程,分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外,文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。

基于感应耦合式无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统设计与验证

微纳聚合体航天器是一种以机械或电磁锁紧机构实现各模块化基本单元航天器连接的新型航天器架构,可以灵活实现在轨组装与自重构以满足不同任务需求。但是,基于传统电连接器的电气互联方式无法适应模块化航天器间灵活交汇对接与快速分离需求。针对上述问题,文章建立了基于感应耦合式双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构,根据地面演示验证需求分别设计了能源核航天器和载荷任务航天器电源系统参数,然后根据各模块化航天器间非接触供电需求,设计了双向无线能量传输单元参数,最后通过地面演示试验验证了基于双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构可行性,单级无线能量传输功率在20W~30W时传输效率稳定在75.8%以上,通过效率优化提升至95%以上,将可实现四个基本单元航天器的多级功率传输。

国外空间磁场耦合式近场无线能量传输技术发展分析

磁场耦合式近场无线能量传输具有高效率、非接触、无金属触点裸露等优点,对于解决空间非接触供电具有重要应用前景。为了推进空间磁场耦合式近场无线能量传输相关技术的研发和成果转化,文章重点梳理了国外在空间磁场耦合式近场无线能量传输技术的发展路线图,调研近十五年来已经开展的演示验证或技术示范项目,分析国外关键技术方案及指标,提出航天器内设备间厘米级范围内优先采用感应耦合式无线能量传输、航天器间几十厘米到米级范围优先采用谐振耦合式无线能量传输、传输功率需提升至千瓦级以上、传输效率优于85%的发展建议,为未来发展空间磁场耦合式近场无线能量传输技术提供指导。

基于多视线融合的高轨近场感知队形设计

针对高轨卫星近场态势感知(near-field situation awareness,NSA)问题,提出了基于多视线(line-of-sight,LOS)融合的多星协同NSA方案,研究了考虑相对状态估计精度、光照约束等因素的NSA队形设计方法。首先,基于系统状态方程、测量方程,以及扩展卡尔曼滤波算法,构建了多LOS融合的NSA模型;然后,通过理论分析获得了LOS夹角越趋近90°,目标位置估计误差越小的NSA队形设计准则;进一步考虑光照、有界性相对运动等约束条件,提出了NSA队形优化策略,并利用罚函数法对由NSA队形优化问题转换得到的非线性规划问题进行求解。数值仿真验证了所提出的多LOS融合NSA模型、队形设计准则和NSA队形优化策略的有效性。

火箭基组合推进研究现状与前景

对国内外火箭基组合推进系统(RBCC)的研究动态和进展情况进行了总结,阐述了不同时期火箭基组合推进研究计划的重点和所取得的研究成果。分析了火箭基组合推进系统涉及的多项关键技术及其研究进展。论述了火箭基组合推进在两级入轨可重复使用天地往返系统、临近空间及空天飞行器和单级入轨方面的应用前景,并对国内这方面的研究提出了建议。

未来飞行器测控通信体系结构及关键技术

根据未来需求和技术发展趋势,提出了中期面向航天器、航天靶场、临近空间飞行器、无人机的测控通信体系结构,展望了远期天空地一体化飞行器测控通信系统的体系结构,讨论了未来测控通信系统需要研究的主要关键技术。

太赫兹波应用于临近空间高速飞行器测控研究

临近空间高速飞行器测控需要解决"黑障"、超视距时空连续覆盖和多目标等难题,根据太赫兹电磁波可以穿透等离子体而大气传输损耗大的特点,研究以飞机和飞艇为主要平台的空基太赫兹测控系统,提出采用扩频体制实现对高速飞行器进行测距、测速、遥测和遥控的综合测控以及多目标测控,采用nR R(n≥3)测量体制实现高速飞行器的外弹道测量,分析表明空基太赫兹扩频测控系统技术可行,但离工程应用还有较大差距。

载人近地小行星探测器系统质量减小途径探讨

为减小载人近地小行星探测器的系统质量,提出采用先期运送部分推进舱至小行星、可伸缩式舱体、发展核推进技术的3种技术途径。介绍了国内已有的载人近地小行星探测器的系统组成及其质量估算方法。在此基础上,结合一个载人登陆探测近地小行星的算例,给出了采用上述3种减小质量途径的载人探测器系统质量估算结果。对3种技术途径的探测器总质量减小效果进行了对比,对各技术途径的特点和难点进行了讨论。结果表明:3种技术途径均可有效地减小载人探测器系统的总质量,有助于提高载人近地小行星探测任务的可行性。

近空间连续流区航天器残骸解体分离落点散布数值预测研究

为建立对航天器破碎解体过程的模拟方法,基于非结构直角网格系统,采用弹性变形-重构耦合的动网格技术捕捉复杂运动过程,结合自主研发的非定常CFD数值方法,发展了综合考虑静态气动和动稳定性影响的仿真方法,实现了对航天器破碎、解体、分离及残骸陨落过程的模拟仿真。采用该方法对助推器自30 km高度陨落过程仿真,与飞行试验雷达测量数据对比,两者基本吻合。对整流罩陨落、大型航天器破碎解体过程进行模拟,考虑风场、气动偏差、初始状态偏差以及其他复杂工况条件对最终落点的影响,各算例显示该方法可高效预报航天器残骸陨落过程及落区,并具有较高精度和可信度。

临近空间飞行器测控系统的特点和主要技术问题

在与航天测控系统比较分析的基础上，归纳出临近空间飞行器测控系统的特点，并概述了它的等离子体衰减、多径干扰、天基测控通信、多目标测控和低时延实时遥控等主要技术问题。

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。

Ka频段馈源多波束引导概率分析

针对临近空间高动态飞行器的角度捕获引导问题,从馈源多波束引导与传统引导存在的差异入手,引入一次检测概率与持续检测概率的概念,并结合分组切换影响,设计给出馈源多波束系统引导概率分析方法。分析得出馈源多波束系统的四次引导概率能够超过99.5%,满足任务要求。该分析方法及给出的结论为Ka频段馈源多波束引导自跟踪的工程建设提供技术支持。

转速和控制力矩受限下模型独立的航天器拟欧拉姿态机动

刚性航天器的初始姿态捕获,要求在敏感器和执行机构物理限制范围内,尽快从任意初始状态机动到角速度要求为零的指定状态.根据递阶饱和控制逻辑,设计了一种适用于转速和控制力矩均受限的模型独立的非线性反馈控制规律.给出了该拟欧拉轴旋转控制算法的数学仿真,仿真结果表明该算法有效可靠.

动能拦截临近空间飞行器的复合制导律设计

针对临近空间飞行器进行拦截,设计了一套复合制导律,并给出各制导段间的交班条件及参数设计。考虑临近空间飞行器典型的机动方式,对目标进行拦截仿真,对比分析了拦截弹采用复合制导律和比例制导律的仿真结果,以及交班对拦截的影响,实现了动能拦截临近空间飞行器。

临近圆轨道最优脉冲交会中的参考系选择问题研究

利用极坐标下的无量纲化线性方程研究临近圆轨道最优脉冲交会中的参考系选择问题。首先给出了无量纲化线性方程,接着以定理的形式说明参考系的选择对该方程下的最优交会模式的分类和分布没有影响,并以二脉冲最优交会及二脉冲带漂移最优交会、Hohm-ann最优交会三种交会模式为例说明不同参考系的选择对各自模式下的求解过程也没有影响。但是在无量纲化过程中交会时间和轨道半径差受参考系选择的影响,所以参考系的选择会影响最优交会的结果,最后通过三种最优交会模式的仿真对此结论进行了验证。

一种模型独立的拟欧拉轴航天器大角度姿态机动

刚性航天器初始姿态捕获 ,要求从任意初始状态机动到角速度要求为零的指定状态。本文基于姿态偏差四元数和瞬时旋转轴偏离欧拉轴程度信息反馈 ,设计了一种拟欧拉轴旋转姿态捕获控制规律。对于刚体的任意初始状态 ,角速度可能不平行于欧拉轴。为减少瞬时旋转轴的偏移程度 ,将初始角速度分解为平行和垂直欧拉轴的两个分量 ,控制器在初始阶段尽快消除垂直角速度分量 ,随后进行拟欧拉旋转机动。

低地球轨道带电粒子辐射环境对航天器的影响

简述了低地球轨道（ＬＥＯ）空间环境中对航天器正常工作有重要影响的环境因素之一──带电粒子辐射环境；并着重介绍了该环境因素作用在航天器上可能产生的不利影响。

一种临近空间飞行器的新型发射方法

提出了一种利用磁悬浮技术提供初始速度、利用冲压发动机实现临近空间飞行的新型发射方法.该方法在飞行器发射初段采用磁悬浮技术助推,产生冲压发动机要求的初始速度,在冲压发动机最佳工作高度水平加速后将飞行器送至临近空间.通过数值计算,说明该发射方法可行.

近圆参考轨道卫星编队的安全性

针对近圆参考轨道卫星,利用相对轨道要素对编队构形进行了统一描述,提出了编队卫星在垂直于轨道平面方向相对运动最小距离的计算公式,分析了J2摄动对卫星编队安全性的影响。仿真结果表明环绕星在轨道平面内和垂直于轨道平面内的相位差对编队安全性的影响较大,给出的提高编队卫星安全性的措施可为卫星编队的实际工程应用提供参考。

航天器AIT未遂事件管理系统设计及数据分析

为了加强对航天器AIT未遂事件的管理及数据采集、分析,确保航天器AIT作业安全,结合北京卫星环境工程研究所安全管理工作实际,从加强航天器AIT未遂事件管理入手,利用EXCEL服务器,设计了未遂事件管理模式及管理流程,建立了未遂事件管理系统及数据库,实现了未遂事件的"上报-信息录入-数据分析-整改验证"流程的有效闭环;同时,基于研究所2014—2016年未遂事件统计数据,进行了多维度解析和定性分析,利用层次分析法对未遂事件的形成原因进行了定量分析,为加强安全管理、持续改进安全管理体系提供了方向。