天宫飞行器低轨控空气动力特性一体化建模与计算研究

对非规则板舱组合体天宫飞行器300～200km低轨道飞行过程空气动力特性一体化计算建模，提出考虑复杂构型物面遮盖效应面元解析法与经修正的Boettcher／Legge非对称桥函数，发展基于三角形面元逼近复杂外形通用处理方法，建立适于天宫飞行器复杂物形处理与面元气动力系数计算规则；将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形，进行气动力当地化关联参数计算修正，建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行控制过程空气动力特性一体化快速算法与程序软件。对大尺度圆柱体外形与天宫飞行器300～200km不同高度变轨飞行过程不同迎角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证，表明天宫飞行器在200km以上低轨道飞行控制过程中所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化（8％～50％），证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数，误差累积巨大，需要采取防护措施，低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度最关键因素。

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。

类天宫飞行器轨道衰降过程空气动力特性一体化建模并行优化设计

针对天宫一号目标飞行器无控飞行轨道衰降数值预报需要快速确定轨道积分高精度计算模型中的空气动力,在发展基于修正Boettcher/Legge非对称桥函数的天宫一号空气动力特性当地化算法基础上,对当地化算法的运算流程及对应程序代码进行了整体分析,根据原程序热点代码集中、数据独立性强及传输需求少等特点,发展了多核处理单元的并行优化方法。引入CUDA架构的GPU设备同时,开展了系统、算法以及语句三个层次的并行优化,设计了GPU内存对齐访问方案,使用数据传输函数,将算法求解部分内循环经过展开与合并,整理为整体移植入核函数的一个循环,利用GPU较强的并行计算能力提升运算效率,对函数、循环、指令等代码语句进行级别优化。使用设计的并行计算方案对类天宫飞行器空气动力特性当地化串行算法程序进行CPU+GPU移植优化,达到了近5倍的并行加速比,且使单次求解中GPU数据传输时间缩减为原来的23%,证实了并行方案和优化设计手段的高效实用性。在类天宫飞行器空气动力特性GPU并行算法程序验证基础上,使用GPU并行程序对天宫飞行器轨道衰降飞行340~120 km过程的气动特性进行了不同迎角、侧滑角等飞行姿态计算分析,提供了大量可供轨道飞行力学数值预报的空气动力计算数据。

控制力矩陀螺在天宫一号目标飞行器姿态控制上的应用

根据天宫一号目标飞行器的特点及交会对接任务需求,天宫一号目标飞行器选择单框架控制力矩陀螺作为姿态控制执行机构,这是控制力矩陀螺首次在国内航天器上应用.阐述了单框架控制力矩陀螺在天宫一号目标飞行器姿态控制上的应用,主要包括四个方面:构形选择、操纵律设计、角动量卸载、故障诊断与重构.天宫一号目标飞行器控制力矩陀螺系统采用五棱锥构形,其操纵律设计为带零运动的伪逆操纵律,控制力矩陀螺系统具备故障诊断和重构功能.

天宫一号目标飞行器GNC分系统容错策略设计

天宫一号目标飞行器是中国研制的新一代专门用于交会对接的大型载人航天器.为保证其长期在轨安全可靠运行,顺利完成与载人飞船的交会对接任务,以及单体飞行和组合体飞行期间的姿态和轨道控制任务,要求GNC分系统设计充分的容错策略.对GNC分系统软硬件平台进行介绍,对敏感器、执行机构以及控制器的软硬件容错策略进行详述.该策略在实际应用中得到验证,结果表明设计合理,可以有效提高GNC分系统的系统性能和可靠性.

天宫一号目标飞行器控制计算机的设计与验证

与载人航天一期"轨道舱"相比,载人航天二期天宫一号目标飞行器对控制计算机的功能、性能和环境适应性都提出了更高的要求.依据GNC分系统对控制计算机的功能与可靠度需求,介绍天宫一号目标飞行器控制计算机的容错方案、硬件设计、系统软件设计、可靠性分析和试验验证情况,地面验证结果表明:天宫一号目标飞行器控制计算机设计满足GNC分系统的需求.

天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池内部温度场仿真分析与验证

建立了氢镍蓄电池温度场热仿真模型,模拟氢镍蓄电池放电过程的温度。实测结果表明仿真计算值与实测结果一致性较佳,两者温差最大仅0.7℃,验证了热仿真模型的有效性。用该仿真模型对天宫一号(TG-1)目标飞行器40 A.h氢镍蓄电池进行了热设计优化,根据优化结果研制了相应的电池。对电池内部温度的测试结果表明其内部最大温差约5℃,符合氢镍蓄电池热设计要求。

基于大气模型误差特性的“天宫一号”再入预报

空间环境扰动是影响再入预报精度的重要因素。利用相同空间环境情况下大气模型误差具有较大相关性的特点,提出使用时分参数的策略进行再入预报。首先基于两行根数计算弹道系数,并根据弹道系数序列判别“天宫一号”(TG-1)目标飞行器的姿态;分析TG-1持续翻滚后弹道系数随地磁指数的变化特性,确定弹道系数-空间环境对应表;再入预报过程中根据积分时刻空间环境情况选择对应的弹道系数,以降低大气模型误差的影响。在TG-1再入案例中,文章中的方法最大预报误差仅为8%,远小于传统方法预报误差,可以有效提高空间环境扰动时的再入预报精度。

空间应用系统天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船交会对接任务

2011年9月和11月我国在酒泉卫星发射中心先后发射了天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船，成功实施了我国载人航天工程交会对接试验，在此次交会对接试验中，中科院承担的空间应用系统主要任务包括：

我国载人航天器结构与机构系统设计与优化

介绍了我国载人航天30年发展历程中,载人航天器结构与机构系统设计与发展历程。在载人航天工程第一步,设计了神舟飞船结构与机构系统并随着工程的进展不断优化提升;在载人航天工程第二步,研发了天宫目标飞行器和空间实验室、天舟货运飞船结构与机构平台,为空间站研制奠定了技术基础;在载人航天工程第三步,研制了空间站天和核心舱、问天实验舱I、梦天实验舱II结构与机构系统。通过五大结构与机构系统的研制,突破了载人大型密封舱结构设计与长寿命技术、再入防热技术、舱段连接分离技术、密封舱门与健康检测等技术,为保证航天员安全和型号成功做出了重要贡献,结构与机构技术取得了一个又一个飞跃发展。

空间胶体晶体生长结构变化的研究

为研究微重力条件下胶体晶体生长动力学和结构变化的规律,设计了空间胶体晶体生长实验装置。实验装置同时搭载三个实验样品,每个实验样品有两个实验工位。通过对胶体晶体的实空间成像及倒易空间衍射(Kossel衍射)成像分别实现样品形貌及样品晶体结构的观测。在完成的空间搭载飞行任务中,获得的大量空间及地面实验数据,结果表明微重力环境中的胶体晶体样品有更好的稳定性。

对接机构分系统研制

介绍了我国神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器对接试验的对接机构分系统的组成、控制时序、设计方案,以及可靠性与安全性。给出了对接机构分系统研制中总体设计、动力学仿真、试验和关键部件研制等关键技术,以及整机特性测试、连接分离试验、热真空对接与分离试验、寿命试验等验证情况。回顾了对接机构分系统的研制过程。

不凡的跨越更非凡的砺炼

2011年10月的某天,酒泉卫星发射中心夜幕下,飞船系统兼目标飞行器系统指挥,以及我们飞船系统总体的几位同事,相约去东风航天城的外环路上散步,等候迎接成功发射不久的天宫一号目标飞行器过境。这或许是在发射场紧张工作之余的消遣,更像是一次郑重的仪式。只因为没有多少天,神舟八号飞船即要升空与天宫一号目标飞行器相约握手,载人航天工程交会对接关键技术的首发飞行验证即将拉开帷幕。

在九霄之上造个“家”——中国空间站

考考你们,中国空间站的名字叫什么?没错,就是“天宫”。它不同于天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室,是在太空中建的一个“家”。建造“家”可不是一朝一夕的事情,需要时间,还有物力、人力等。而且,在太空中“盖房子”不同于在地球上“盖房子”,需要事先把一个个舱体和其他部件都做好,送上天后进行组装,就像“搭积木”一样。

神五飞天二十年

2023年10月15日是我国太空第一人:杨利伟乘神舟五号飞船飞天二十周年纪念日。神舟五号的成功发射和顺利返回,竖起了中国航天的第二个里程碑。一花引来百花开。神五飞天的二十年来,我国载人航天取得了巨大成就。到2023年9月,我国先后研制、发射了11艘神舟系列载人飞船,把18名、29人次航天员送上了太空,成功率达100%,陆续研制、发射了6艘天舟系列货运飞船、天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室、由3个20吨级的舱段组成的天宫空间站以及一艘新一代载人飞船试验船。

圆满完成任务,就是我的使命——神舟十二号任务乘组指令长聂海胜专访

1998年1月,聂海胜入选我国首批航天员。2005年10月12日到16日,费俊龙、聂海胜驾乘神舟六号载人飞船,在轨飞行120小时,首次实现多人多天太空飞行。2013年6月,聂海胜作为指令长与张晓光、王亚平一道驾乘神舟十号载人飞船成功进入太空,在轨飞行15天,圆满完成与天宫一号目标飞行器手控交会对接、航天医学试验等任务。

神舟十号载人飞船返回舱“落户”湖南韶山

12月20日上午,神舟十号载人飞船返回舱被牢牢安放在一辆平板运输车上,顺利运抵位于湖南省韶山市的毛泽东同志纪念馆。据悉,神舟十号载人飞船返回舱将长期借用给湖南省,在韶山毛泽东同志纪念馆展出。神舟十号曾搭载三名宇航员与天宫一号目标飞行器分别进行无人和有人的交会对接(三名宇航员为聂海胜、张晓光、王亚平)。