国际空间站宇航光纤通信器件发展综述

光纤通信技术在国际空间站(ISS)上首次大规模应用,是光通信技术从地面进入太空应用的一个重要里程碑。回顾了ISS舱内光纤通信所用宇航光缆和光纤连接器的技术发展历程,阐述了ISS对光纤通信技术的特殊需求;介绍了美国航空航天局(NASA)开展的光纤器件空间适应性试验研究情况,NASA和欧洲太空总署(ESA)负责建造舱段的光纤通信系统,以及NASA针对ISS光纤通信器件缺陷问题的质量调查情况和整改过程;结合ISS光纤通信器件质量问题的案例分析,总结了宇航光缆和光纤连接器在制造、工艺、材料、环境、检测和管理方面存在的问题和经验教训。最后,对宇航光纤通信器件的研发方向进行了展望。

空间站CO_(2)去除系统节气技术研究

针对空间站CO_(2)去除系统周期性真空解吸会损失大量气体的问题,对系统的节气技术进行研究。从分子筛材料的吸附及解吸特性出发,研究影响系统气体损失量的关键因素。结合系统运行流程和运行周期,综合考虑节气泵工作特性、寿命要求和系统的CO_(2)去除性能,提出了满足指标要求的系统节气方案。采用对损失气体进行实测采样的方法对系统的气体损失量进行了试验验证。试验数据及空间站在轨运行数据表明:设计的节气方案可以控制系统的气体损失量小于45 g/d,提出方案满足设计指标要求。

空间站舱内微量有害气体状态评价和流转分析

文章聚焦于中国空间站长期在轨运行中微量有害气体的整体状态和控制情况,阐述了微量有害气体随舱内物质循环向冷凝水回收净化以及CO_(2)去除和还原等环节流转的规律。通过在轨状态分析、地面比对评估试验结果和流转特性分析,说明中国空间站各净化系统对舱内微量污染物成分进行了有效控制,舱内空气中微量有害气体浓度保持在较低水平。研究旨在为后续微量有害气体净化环节的运行和监测提供指导。

一种用于中国空间站增强现实维护应用的自动跟踪框架

跟踪注册是增强现实(Augmented reality,AR)中一项至关重要的技术。基于人工标识和基于图像的注册方法已广泛应用于增强装配系统中。然而,由于空间产品的弱纹理、结构对称、数据有限以及难以张贴标识等特点,空间站的跟踪注册仍面临挑战。本文提出了一种专门为中国空间站诱导维修应用设计的三维物体跟踪方法,旨在用AR技术取代传统的纸质手册,为宇航员提供更直观的操作指导。本文提出了一种无标记的中国空间站智能维护方法。采用点对特征方法来估计初始帧姿态,不需要手动调整来获得相应的姿态,这对宇航员来说至关重要,因为在微重力环境中精确运动是一项重大挑战,而且结合曲率信息可以提高采用点对特征方法估计初始帧姿态的效率。通过结合纹理和区域信息,消除了对宇航员位置的精确限制,进一步增强了空间对称产品的跟踪鲁棒性。该方法利用点云匹配来估计第一帧的初始姿态,并在失去跟踪后重新计算姿态。一旦获得了前一帧的姿态,则仅根据二维图像的区域和纹理信息来计算跟踪,以获得实时跟踪。实验结果表明:本文方法与基于标识的方法具有相同的姿态趋势;基于电子游标卡尺测量之间的误差在毫米级;使用专门为航天产品设计的专用工具成功更换过滤器,证明了在空间站上实施诱导维修程序的实用性和潜力。

“国际空间站”延寿情况发展研究

“国际空间站”于2011年基本完成大规模组件的在轨组装工作,最初设计寿命为15年,鉴于其运行状态良好及巨大的应用价值,先后经历3次延寿。本文首先梳理“国际空间站”的延寿背景和概况,在研究其延寿审查情况的基础上,分析了延寿风险及应对措施。

国际空间站商业化发展研究

美国在建造和运营国际空间站过程中,大力发展商业载人航天,建立了较为成熟的商业模式。综述了国际空间站商业化发展背景、推进举措、实施效果。在国家层面,持续改革完善商业航天政策,美国第一至三号总统航天政策令中,要求相关政府机构改进对商业航天的监管,营造良好的发展环境;在管理层面,建立商业载人航天管理机制,开展商业货物运输和乘员运输,与空间科学促进中心签订协议管理空间站商业应用。国际空间站商业化相关做法取得了较好的效果,提升综合效益,同时也暴露出运输安全性、应用管理不到位相关问题,在研究国际空间站商业化发展的基础上,提出了建立健全商业化发展机制、健全完善商业应用管理体系、探索发展重点商业应用方向等方面的建议。

空间站大规模复杂控制软件基于数据池的软件框架设计

针对复杂航天任务中控制软件不断增长的规模和复杂度带来的问题,对国外先进航天航空机构软件架构设计经验和最佳实践进行了调研,基于此对空间站大规模复杂航天器控制软件的通用框架设计进行研究,提出了一种基于数据池的软件框架设计方法,解决了空间站大规模复杂控制软件多舱段多机多总线资源管理和可扩展性的难题,实现了软件复杂的底层通信与上层应用处理之间的数据隔离和解耦,有效提高了软件复用率和可扩展能力。

空间站机械臂任务规划方法

任务规划技术是航天任务执行过程中的核心关键技术,针对空间站机械臂的外自主行为受限、行为多样、分支众多,存在多类型约束以及多资源条件限制等特点,对空间站机械臂任务规划方法进行研究。对任务需求进行分析形成月事件,地面工程师给出将任务分解为子任务的建议,将月事件分解为具有逻辑关系的飞控事件,飞控事件集合描述了航天器不同的行为及不同模式下的行为,每一个模式下的飞控事件由控制动作或控制动作序列构成,建立了分层规划对象模型。同时,构建状态空间集合描述时变的器上状态和状态值,在飞控事件层和控制动作序列层建立状态推理模型。采用多约束逻辑表达式对联合约束进行描述,将运动飞控事件进行归一化设计。在时间的调度和资源条件限制下在规划器中进行迭代求解,生成地面控制动作序列,实现任务目标并用于任务实施。在空间站机械臂在轨任务中验证了该方法的正确性和高效性。

国际空间站舱外多载荷运行任务规划

空间站舱外载荷平台支持部署众多不同类型的载荷,为开展大规模空间科学研究提供了机会.但随着舱外载荷数量及相应任务量的不断增加,且在受限于资源约束的情况下,需要制定科学合理的任务规划,以提高舱外载荷的工作效率.针对舱外多载荷运行任务规划方法,深入分析了国际空间站舱外载荷任务规划现状,重点分析了其舱外载荷平台、载荷类型及特点和多载荷运行任务规划方法,分析当前任务规划策略、方法及未来发展方向.根据中国空间站舱外载荷平台特点,从载荷总体设计和运行任务规划方法等方面为中国空间站后续舱外多载荷系统运行任务规划提供参考和建议.

空间站组合臂安装载荷的自主安全操控策略

针对空间站暴露载荷操作任务,提出一种组合臂安装载荷的自主安全操控策略。该策略由机械臂末端视觉伺服进行安装操作的精细初定位,克服天地差异、舱体充压变形、组合臂大范围开环运动等误差影响,为机械臂安装载荷提供准确的初始条件;由力控制和自主交互流程进行载荷对接安装,适应载荷对接前残余位姿偏差,减少天地、机械臂与载荷交互时间、力控制持续时间,降低宏微机械臂间动力学耦合影响,自主柔顺和安全完成载荷插拔操作。该操控策略经过地面仿真和试验验证,并成功应用在组合臂操作舱外暴露载荷任务中,确保空间站载荷安装任务圆满成功。

中国空间站的微波星地时频比对技术及其初步试验验证和分析

高精度时频比对是现代科学技术的核心需求之一.然而,现有的技术受限于比对系统测量水平和链路系统误差处理算法,严重限制了时间比对性能的提升.针对这些问题,本研究搭建了基于中国空间站的高精度星地微波时频比对系统,并提出了一种基于双向测量的空间站-地面时频比对技术(三频模式),包括了对各项链路系统误差精细化建模新方法.通过对不同星地时频比对场景的仿真模拟发现,在配置高精度原子钟(10^(−15)~10^(−17))进行星地时频比对的场景下,经过本文算法优化后的比对长期性能仍可达与原本星地时钟相近的性能.利用中国空间站所搭载的氢钟与地面氢钟进行初步比对试验结果表明,在300 s可视弧段内的空间站-地面时间比对精度可达到10.77 ps,相应的ADEV(Allan DEViation)达到9.9921×10^(−14)@100 s,与仿真模拟结果大致吻合.本研究可为精密时频同步技术提供了新的理论依据和技术参考.

中国空间站松不脱螺栓锁紧隔振器频率漂移建模与试验

中国空间站(以下简称空间站)大量科学仪器设备需要松不脱螺栓锁紧。针对空间站主动隔振器研制过程中松不脱螺栓锁紧诱发的频率漂移问题,探索了空间站主动隔振器锁紧状态非线性连接动力学机理建模与试验验证。对基于松不脱螺栓的隔振器锁紧释放装置进行力学分析,并根据松不脱螺栓接触面应力的非线性分布建立基于Iwan模型的系统等效动力学模型,分析动力学响应的非线性特性。研制空间站主动隔振器样机进行正弦振动试验,验证所建立动力学模型的准确性和有效性,为空间站精密科学设备环境适应性设计提供参考。

空间站机械臂安全关键软件开发技术研究

空间站机械臂因其运动范围大、运动路径多变、控制精度要求高等复杂性,对软件的安全性和可靠性要求非常高。机械臂软件具有信息流处理多、控制功能复杂、实时性高的特点。文章根据我国空间站机械臂安全关键软件的开发设计工作,基于软件系统设计的概念,使用软件故障树分析(SFTA)和软件失效模式及影响分析(SFMEA)开展软件开发要点研究,分析了软件安全关键要素;对安全关键软件研制过程中的更改控制及应用环境控制进行总结,并介绍了地面验证与在轨应用情况。这些研究结果对提升航天器软件安全性和可靠性设计能力具有参考意义。

适用于空间站环境的脑力疲劳检测方法的研究

目的针对航天员在轨期间可能出现的脑力疲劳问题,研究一种适用于空间站环境的脑力疲劳检测方法。方法地基实验采用36h睡眠剥夺实验诱发脑力疲劳状态,采集45名受试者的脑电图(EEG)数据和问卷评分,计算与脑力疲劳相关的一系列EEG特征并运用随机森林分类器构建脑力疲劳检测方法,以区分脑力疲劳水平。结果在地基实验和天基实验的数据中均取得85%以上的平均准确率,各项评价指标趋势一致。结论基于EEG信号的脑力疲劳检测方法能够应对环境及任务的差异,在地基实验与天基实验中均展现出准确稳定的性能,未来在空间飞行环境中的应用具有一定可行性。

空间站机械臂人机系统设计与验证

在充分调研国际空间站机械臂人机系统设计的基础上,结合中国空间站机械臂人机协同作业需求,建立了空间站机械臂“管理-设计-验证”全周期人机设计体系,通过人机项目规划、人机功能分配等管理要素,针对性地开展了空间机械臂人机系统详细设计,最后,从仿真分析、地面验证、在轨验证三大方面对人机系统进行了全要素全流程的验证,结果表明空间站机械臂人机系统设计合理,可应用于后续航天员出舱活动,保障航天员出舱活动安全、高效。研究结果将为空间机械臂人机系统设计与验证提供体系借鉴和工程指导。

空间站电动工具开关按钮性能退化特性加速寿命试验与可靠性评估

面向中国空间站在轨寿命评估与延寿需求,以舱外电动工具开关按钮为对象,开展综合考虑在轨长期贮存与短期作业交替影响的加速寿命试验,设置多温度水平,研究开关按钮性能退化特性和失效机理,并采用基于伪寿命分布的可靠性评估方法开展评估工作。加速寿命试验结果显示:开关按钮在50℃和80℃温度下出现按压力松弛现象,按压力退化与时间呈线性关系;在110℃和140℃温度下出现卡滞、卡死和润滑脂溢出现象,且按压力迟滞量在贮存后期显著增大。可靠性评估结果显示:开关按钮满足10年寿命末期可靠度0.9954的指标要求。文章所述研究方法可为空间站内其他长期贮存单机的可靠性评估提供借鉴。

空间站舱段平转式转位方案设计与验证

根据我国空间站实验舱在转位前后对天/地指向不变的任务需求,提出舱段平转式转位方案,设计基于转位机构的舱段转位实现方案。转位期间,空间站组合体采用重力梯度被动稳定姿态飞行,解决姿态主动停控时空间站稳定指向的难题。通过设计选取合适的转位任务窗口,确保转位全程测控链路畅通、光照充足,以提高任务安全性和可靠性。地面试验和在轨实验舱转位任务实施,全面验证了空间站舱段平转式转位方案的正确性。

空间站舱外电子设备维修性设计及验证

天宫空间站舱外布置了大量电子设备用来实现通信、控制、供配电、热控等功能,这些舱外电子设备的维修性设计成为保障空间站长期在轨运营的必要手段。为解决空间站舱外电子设备在轨维修难度大的问题,通过对出舱维修难点进行分析,提出了舱外电子设备的通用维修性设计方法,并以空间站舱外电子设备为例,对其机械设计、电气设计、总装布局等方面的维修性设计方法进行研究,并通过地面试验验证了维修性设计方法的合理性与正确性。

基于重力梯度被动稳定的空间站微重力伴飞实验舱方案

针对科学实验载荷极低量级微重力环境的需求,提出基于重力梯度被动稳定的空间站微重力伴飞实验舱方案。伴飞实验舱相对空间站独立飞行,以隔离空间站上复杂多变的干扰源。实验舱采用无振动微加速度的姿轨控方法实现了伴飞期间的极低量级微重力水平——以重力梯度被动稳定+主动磁控的方式实施姿控;通过调整偏航角改变迎风面积实施轨道高度与位置控制,保证伴飞安全性。同时,实验舱通过配置制导执行机构、安装位姿敏感器和机械臂目标适配器,能充分利用空间站的在轨资源。仿真分析表明实验舱能保证长期持续地为载荷提供优于4.9×10-7g0的极低量级微重力环境。

空间站再生生保系统国外专利技术综述

再生生保系统属于空间站建设的重要系统之一,事关航天员的工作、生存与健康。文章针对国外再生生保系统专利布局进行研究,总结分析了专利申请趋势、地域分布、主要技术来源国及目标市场和主要申请人。文章分别从尿液、生活废水和粪便的处理,以及综合气体处理和固液处理的循环处理等多角度出发,针对再生生保系统的各技术分支相关专利进行重点介绍,为再生生保系统的建设和发展提供借鉴和参考。