大型航天器电位控制系统设计及验证

分析了大型航天器在轨交会对接及执行特殊任务等需求,提出了针对不同供电电压等级航天器交会对接、机械臂操作和航天员出舱等任务中的舱体不等电位问题,给出了被动电位控制及主动电位控制的方案。在此基础上提出了具体的设计方案及关键参数的确定,完成了被动电位控制地面验证方案,给出了试验验证结果,完成了主动电位控制在轨实际运行,并给出了实际运行结果情况。可为后续类似航天器的相关设计及地面试验验证提供参考。

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90 km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。

大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。

大型航天器单框架控制力矩陀螺系统全物理仿真

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)是一种重要的航天器动量交换装置。用SGCMG作姿控部件的大型航天器姿态控制/动量管理系统是我国未来航天器发展的一个重点研究问题。本文利用三轴全物理仿真气浮台作为控制对象,模拟航天器在外层空间所受扰动力矩很小的力学环境。把SGCMG姿态控制/动量管理系统置于气浮台上,组成与航天器控制系统相同的仿真回路,来研究其动力学、动量交换、动量耦合以及控制系统中尚不清楚的一些问题。实践证明该仿真系统能够很好模拟航天器的力学环境,为SGCMG系统的进一步研究打下了很好的基础。

大型航天器热管理系统温度分析

基于空间飞行器的大型化,提出了从系统总体角度对航天器的热量进行统一收集、传输、利用和排散的热管理概念,以及研究如何分析复杂的热管理系统问题;以虚拟的空间实验室为例,实现了热管理系统温度等参数的数值模拟,模拟结果可为热管理系统的设计提供参考;并在此基础上,以分析航天器回路流量等部分重要参数的波动对其重要结点处温度的影响为实例,研究了热管理系统温度的可靠性,结果基本实现了热管理系统的温度可靠性分析.

超大型航天器应用电推进系统方案设计

超大型航天器运行在(393±10)公里的近地轨道上,由于受到大气阻尼的减速作用,需要对超大型航天器实施轨道维持。LHT-100霍尔电推进系统是一种可用于超大型航天器轨道维持的高比冲小推力的电推进装置,采用电推进系统,超大型航天器年推进剂需求量可以降低到400kg以下,并需要对载有航天员的超大型航天器的安全性和可靠性进行评估。本文提出了超大型航天器轨道维持霍尔电推进系统方案设计,对霍尔推力器和贮气单元气瓶组件在轨可置换性进行了分析,最后对其可靠性和安全性进行了设计与分析,为我国超大型航天器采用LHT-100霍尔电推进系统进行轨道维持开展系统产品研制奠定了坚实的基础。

大型航天器表面巡检相对导航算法研究

在空间站表面自主巡检的背景下,提出了一种大型航天器表面巡检的相对导航算法。将加速度计测得的巡检器本体系下的加速度与Hill方程相结合得到两航天器质心间的相对位置运动模型;由陀螺仪测得巡检器的角速度,将轨道角速度去除后推导出巡检器相对于导航系的姿态运动模型;运用深度相机测量空间站表面结构点云数据,以其配准计算后的值为观测量设计了扩展卡尔曼滤波器,估计了巡检器与空间站间的相对位置、相对姿态以及惯性测量单元的漂移误差,并分析了影响导航系统精度的主要因素。仿真结果表明:相对位置的估计精度优于0.01m,相对姿态精度优于0.03°。

大型航天器与外热流模拟装置的数字化结构匹配方法

在航天器真空热试验中,常选用红外加热笼作为外热流模拟装置。为提高外热流模拟的准确性,红外加热笼需要对航天器进行全表面覆形。文章针对如何确认外热流模拟装置与航天器的结构匹配性这个难题,依托三维扫描技术,建立了一套数字化结构匹配方法,解决了多站测量拼接误差累积、三维扫描仪参数优化选择2个技术难点,使三维扫描和逆向建模过程引入的几何误差不超过10 mm。该数字化结构匹配方法的实际应用结果表明,外热流模拟装置与航天器的配装成功率达到100%,实际安装状态与仿真结果吻合度较好。

极低频超大型航天器姿态机动与物理试验验证

针对具有0.01 Hz极低频主模态的超大型航天器的姿态机动问题,给出利用经典的Bang-Bang轨迹规划方法、滤波轨迹规划方法和传统的相平面控制方法进行姿态机动的方案,构建了极低频超大型航天器姿态机动地面物理试验系统,对不同的姿态机动控制方法进行了试验验证。针对不同的姿态机动轨迹规划方法,采用喷气发动机或控制力矩陀螺作为执行机构,构建了5种超大型航天器姿态机动控制方案,即:姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+喷气发动机,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+喷气发动机,姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+控制力矩陀螺,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺,相平面控制+角速度偏置规划+喷气发动机。利用构建的超大型物理试验系统对上述5种方案进行了试验比较,试验结果表明:机动轨迹对挠性变形的影响超过执行机构的影响,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺方案最优,其变形量相对相平面控制方案能减少约81.8%。

大型航天器真空热试验过程管理系统设计与实现

针对大型航天器真空热试验过程中由于试验工序复杂、参试单位接口众多、大量过程表单纸质化等原因造成试验管控难度大、试验过程数据可追溯性差的问题,基于面向服务架构(SOA),采用业务流程管理的系统化方法,通过柔性化流程引擎,设计并建立了大型航天器真空热试验过程管理系统。该系统已在我国最大的空间环境模拟器KM8完成部署,并成功应用于某重点型号热试验。运行结果表明,该系统有效提高了试验效率,实现了大型航天器真空热试验的数字化、可视化、精细化动态管控。

大型航天器再入解体气动力热特性模拟的直接模拟蒙特卡洛方法研究

为模拟大型航天器离轨再入近连续过渡流区高超声速气动力/热绕流特征,构建了基于直接模拟蒙特卡洛法碰撞限制器技术的混合方法,发展了基于密度梯度的动态自适应混合网格处理技术与变时间步长计算方案。利用当地流动梯度的克努森数作为判断连续流失效的参数,将流场划分为不同区域,在连续流区采用碰撞限制器以及大网格尺度和大时间步长,在流场的大梯度区域——包括激波和壁面边界层区域——采用基于当地密度梯度的动态自适应碰撞网格和取样网格处理技术。为保证整个流场范围每个碰撞网格内的模拟粒子数分布更加均匀,采用变时间步长计算方案,并固定当地时间步长与粒子权重的比值,避免了因分子穿越网格界面产生的复制或消失。通过计算类天宫飞行器低密度风洞试验状态的气动力系数,并与试验数据对比,验证了上述算法的高精度模拟能力与可靠性。同时模拟分析了带太阳电池帆板的类天宫飞行器再入85 km高超声速复杂气动力热,及头部对接台与板舱非规则物形绕流所致激波/边界层干扰、流动分离与强气动力热致太阳电池帆板毁坏发生首次解体机制。

大型航天器研制设施建设中的技术状态控制与文件管理

文章通过分析大型航天器研制设施项目的建设特点,对因技术变更造成的技术状态控制问题,提出借鉴型号研制技术状态管理模式予以解决的方法。同时,对建设项目文件管理中存在的有关问题提出改进建议。

大型航天器桁架式主承力结构构型拓扑优化研究

针对桁架结构和拓扑优化的特点,提出了一种连续体-离散体两级拓扑优化策略。应用该策略对大型航天器桁架式主承力结构的构型进行了优化设计。首先,使用HyperWorks软件对桁架结构的设计空间进行了有限元建模,应用连续体结构拓扑优化方法,得出了五传力点和七传力点两种准桁架结构形式,并提炼出与之对应的桁架结构;然后,对所得桁架结构进行拓展,并应用桁架式结构拓扑设计优化系统(TODOSST)对拓展后的桁架基结构进行了离散体结构拓扑优化,得到了五传力点和七传力点两种桁架方案。经对比,七传力点桁架构型方案在基频拓展性、设备预留空间可用性等方面均有比较明显的优势,可作为后续设计的基础。文章应用连续体-离散体两级拓扑优化策略,得到了满足基本设计要求的桁架结构基本构型,可为详细结构设计提供参考;所用优化策略也可为同类桁架结构设计提供借鉴。

大型航天器控制系统健康管理

健康管理技术在提高航天器安全性、可靠性等方面发挥了重要作用.由于长期在轨飞行及其可靠性、安全性要求高等方面的特殊性,大型长寿命航天器对健康管理技术提出了更为迫切的应用需求.对国内外航天器健康管理技术进行全面系统的调研分析,在此基础上,结合大型航天器控制系统设计,提出一种由器载和地面两个健康管理子系统构成的健康管理系统体系结构,同时,对该系统进行软件架构和方案设计,提出两层次器载健康管理软件,并设计模块化的软件架构.

基于发射场的大型航天器运输技术研究

介绍了国外大型航天器运输技术的现状,分析了当前以大型火箭为代表的航天器在发射场运输的主要方式、基本形式、应用范围和使用特点,并对几种典型火箭的在发射场内运输方式进了比较和分析,对运输方式的确定原则进行了阐述,最后对大型火箭运输技术的发展趋势进行了展望。

大型航天器总装与转运一体化平台的设计

大型航天器总装区域内短途转运对场地要求较高,由于舱外设备周向布局,操作者需要借助升降车绕垂直停放的舱体周向移动进行操作,增加了操作风险。针对以上情况,设计了一种适用于自身近似轴对称的大型航天器垂直旋转及转运设备。该设备通过合理的功能模块配置,能够实现大型航天器绕自身轴线垂直旋转,以及利用气浮系统或轮系进行短途转运。实际应用结果表明,该设备各项功能运行稳定,通用性较好,能够满足新一代大型航天器装配、测试及试验需求。

大型航天器设备之间指令管理优化方法

为提高大型航天器组合体设备之间指令传输实时性,对设备之间指令的协议和转发流程进行了研究,分析了转发流程每个环节相关的时间延迟,并针对不同环节提出了数据链路层和物理层优化方法:在数据链路层采用解析流程和总线消息反馈过程优化;在物理层采用总线消息发送序列优化。该方法已应用于某大型航天器组合体,通过某舱段真实指令管理设备的时延测试,验证了对于提升指令转发实时性的实际效果。经过优化,指令一次转发的最大时延缩短了65%。文章的研究成果对于大型航天器指令管理设备软件设计具有一定的参考意义。

分级振动试验中超大型航天器频响特性获取方法

针对超大型航天器整器振动试验难以进行状况,对用分级振动试验获取超大型航天器整器频响特性的方法进行了研究。从航天器各舱段模态试验数据中提取频响信息,用频响函数综合法计算整器频响函数矩阵,给出了计算模型。某卫星的计算结果与整器有限元频响分析数据比较,两者在低频段吻合良好,表明在无法通过整器小量级振动试验获取其频响特性时,用舱段频响函数综合获得整器频响函数的方法可行。

大型航天器结构离线组合加工误差分析及控制

为解决大型航天器结构无法在线组合加工的瓶颈问题,提出了大型航天器结构精测→拆卸零件并加工→复装的离线组合加工方法,分析了离线组合加工过程的误差产生来源,并提出多项误差控制措施。最终,尺寸范围为Φ2600mm×5600mm的某大型舱体结构上200余个舱外支架经过离线组合加工,其线性尺寸公差精度达到±0.1mm,角度尺寸公差达到±3′,满足设计精度要求。