面向航天器分离的高速索力传递特性

在航天器分离的地面模拟试验中,其受力状态的准确施加是试验的关键环节。该文基于航天器主动式分离试验方案,研究了航天器在高速分离过程中的绳索索力传递问题。首先通过Newton运动定律推导了绳索提升系统的动力学模型;然后引入测试函数,使用空间离散的方法对二阶偏微分方程求解,得到绳索在运动过程中的受力关系,并探索其对绳索索力的影响因素;最后通过数值仿真及实例进行验证。结果表明:该模型能够准确模拟绳索受力状态,对航天器主动式高速分离试验具有指导性意义。

分离模块异构航天器集群松散队形设计

针对近地轨道分离模块航天器集群,考虑航天器之间面质比差异,提出一种能在较长时间内维持两星之间相对距离的松散队形设计方法。该方法以相对偏心率向量和相对轨道倾角向量描述松散队形,以两颗卫星之间的轨道长半轴之差和相对相位角之差为优化变量,并且通过设置虚拟空间圆解决避碰问题,保证在考虑气动力摄动的情况下,异构航天器松散编队能够有较长时间满足距离要求。仿真研究表明,针对轨道高度为500 km的参考轨道,当两星面质比分别为0.003 m2/kg和0.0032 m2/kg时,两颗卫星之间的距离能够在50天内处于200 m到20 km之间。

分离模块航天器综合评估方法研究

以分离模块航天器概念设计阶段的方案评估分析为目标,提出一种基于数学建模和蒙特卡洛模拟的定量化评估分析方法框架。首先,定义了分离模块航天器生命周期状态及其转移过程,建立了状态转移概率矩阵,将生命周期不确定风险因素在状态转移过程中加以考虑;进而,基于系统状态模型建立了分离模块航天器生命周期成本和净收益计算模型;然后,以生命周期成本和净收益的均值和标准差作为评价指标,提出了基于蒙特卡洛模拟的综合评估仿真分析方法;最后,采用典型设计案例进行了分析与验证。

分离模块集群航天器发展概况

分离模块集群航天器是分布式空间系统的一种创新应用。从拓扑结构、自组织网络、无线通信、集群飞行导航与控制、分布式计算,以及无线能量传输6个方面概述了分离模块集群航天器的发展状况,介绍了分离模块集群航天器的任务——昴宿星计划,分析了分离模块集群航天器的性能特点以及应用前景,以期为发展我国的分离模块集群航天器提供参考。

分离模块航天器研究综述

对分离模块航天器产生的背景及概念进行了阐述和分析,介绍了包括F6系统、天基群组系统、SkyLAN（空间局域网）等在内的几种主要分离模块航天器系统,并在此基础上归纳总结出了分离模块航天器在同轨多模块系统设计、功能系统设计、信息交互技术、队形保持重组及功能适变技术、无线信息传输技术、分布式天线技术等方面的技术特点及难点,最后讨论了分离模块航天器进一步的研究方向和发展前景。

分离模块化航天器系统评估和优化设计研究

对分离模块化航天器系统评估和优化设计进行了研究。定义分离模块航天器的成本与价值,建立成本模型、价值模型和不确定性模型。考虑模块的物理约束、功能约束和用户需求对功能组件进行模块设计,并在发射运载能力内制定航天器的模块组合发射方案。按航天器生命周期流程对生命周期的模块研制、发射运载、在轨操控三个阶段中考虑不确定性因素影响的风险成本和功能模块的价值收益进行计算,得到分离模块航天器生命周期内的总成本、总价值收益和净现值(NPV)。用蒙特卡罗方法分析不同不确定性因素的分离模块航天器的成本与价值分布。设定优化目标和优化条件,用遗传算法优化分离模块航天器设计方案,提高分离模块航天器的投入产出比。

一种针对分离模块航天器系统的分层优化方法

针对分离模块航天器系统优化中存在计算量大、算法复杂度高的问题,提出了一种基于分层的分离模块航天器系统优化方法。该方法将系统优化问题分解为三个层次进行,顶层规划模块数和轨道高度,中间层优化组件配置,底层优化运载发射方案。其中顶层嵌套调用中间层,中间层嵌套调用底层,底层直接计算求解最优运载发射方案,避免了直接基于分离模块航天器全寿命周期仿真来优化运载发射方案。应用该方法对虚拟对地遥感分离模块航天器进行优化,结果表明,优化过程简单,计算量小,算法复杂度低,优化效果显著。

分离模块航天器虚拟对接姿态鲁棒自适应协同控制

针对分离模块航天器虚拟对接这一关键技术,从航天器姿态控制的角度设计了一种鲁棒自适应协同控制器,该控制器容许模块存在转动惯量不确定及受空间摄动干扰等因素,利用模块间无线通信将主模块的状态信息引入从模块控制器中,从而实现了主从模块协同虚拟对接。采用修正的罗德里格斯参数描述模块的姿态,将虚拟对接的姿态控制分为2个过程,分别给出每个过程期望姿态的解算方法。将转动惯量不确定性和空间摄动干扰作为整体分析,利用滑模控制思想分别为主从模块设计了鲁棒自适应控制器,并基于Lyapunov稳定性理论给出控制器的稳定性证明,最后的仿真结果验证了该控制器的有效性。

多Agent自主系统结构及其在分离模块航天器中的应用

针对分离模块航天器对于灵活构建和组织多个卫星协同工作,实现自主运行的需求,提出基于"Agent容器程序"管理的多Agent自主运行系统结构。以多个规划Agent的组织为基础,综合使用多种类型的通用及专用Agent,实现了自主运行系统的适用性、灵活性和健壮性,为多卫星协同工作的仿真和实际应用提供可行的方法。

分离模块航天器不确定性多学科设计优化

为了在分离模块航天器研制过程中充分考虑各类不确定性因素的影响,以此对全寿命周期成本、收益以及系统稳健性和灵活性进行综合评价和设计优化,本文对新概念航天器———分离模块航天器概念设计阶段的不确定性多学科设计优化(UMDO)进行了研究。首先,对UMDO方法进行了概述,对分离模块航天器UMDO的主要流程进行了介绍。其次,对分离模块航天器系统的体系结构和评价准则进行了定义,对学科模型、成本模型和收益模型进行了建模,并对其不确定性因素进行了提取和建模。最后以虚拟对地遥感分离模块航天器的概念阶段总体设计为例,对其UMDO数学问题进行了表述,采用UMDO优化过程对优化问题进行了组织与求解。优化结果表明,通过UMDO方法进行设计优化,能够有效提高不确定性因素影响下的设计方案期望净收益及其稳健性,验证了分离模块航天器不确定性多学科设计优化的可行性和有效性。

基于分离模块航天器的激光输能技术研究

随着航天任务的日趋复杂化,航天器能源需求越来越高,将激光输能技术运用于航天器能源供给越来越受到重视。针对当前地基激光输能技术的发展现状和不足,本文从分离模块航天器的设计理念出发,研究了一种基于模块化航天器的天基激光输能技术。介绍了这种天基激光输能的输能模式和输能过程,分析了其相对于地基激光输能的优势。根据当前激光技术和航天技术的发展现状,分析了实现天基激光输能方式需要解决的五个关键技术,为分离模块航天器的能量供给提供了一种新的解决方案。

基于相对偏心率/轨道倾角矢量的分离模块航天器队形设计方法

分离模块航天器是分布式空间系统的一种创新应用。针对分离模块航天器中伴飞模块经典轨道根数设计的问题,本文从运动学角度出发,给出了基于相对偏心率/轨道倾角矢量的分离模块航天器队形设计方法。在已知主模块经典轨道根数的情况下,通过定义的队形参数可以反算出伴飞模块的经典轨道根数,该方法描述简洁,并且具有很高的精度。最后的仿真结果表明了该方法的有效性。

分离航天器网络动态连接

不同于地面无线传感网络,分离航天器网络拓扑具有动态、随机特性。首先,基于计算机几何理论如Delaunay Triangulation,Voronoi Diagram建立分离航天器动态拓扑网络。通过分析网络拓扑结构的邻接矩阵中节点间的关系设计邻接矩阵算法得出各网络节点对应的感知半径、通信半径、邻接矩阵,最后得到了基于时空演变的节点间邻居关系的"星图",直观地反应了分离航天器网络节点动态连接的连通性和覆盖度。

分离模块航天器自适应队形保持控制

针对分离模块航天器队形保持控制问题,采用模块航天器集群飞行动力学高精度模型,并考虑模块质量的不确定性和外部摄动干扰,设计了一种自适应队形保持控制器,实现了模块轨迹对标称轨道的跟踪,数值仿真验证了该控制器的有效性。

美国国防高级研究计划局F6项目发展研究

2009年11月25日,美国国防高级研究计划局(DARPA)将分离模块航天器(F6)研究项目的第二阶段研究合同授予轨道科学公司,合同为期一年,总价7460万美元。这一事件说明美国的分离模块航天器项目取得了阶段性成果。文章介绍了分离模块航天器的概念和项目进展,对以价值为中心的航天器设计理念进行了分析和探讨,并得出了几点启示和建议。

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。

模块航天器姿态指向跟踪控制

分离模块航天器是分布式空间系统的创新应用,针对由无线能量传输定向性引起的对模块间相对方位的要求,考虑模块转动惯量不确定性和空间各种扰动的影响,利用反步法设计了一种鲁棒自适应姿态指向跟踪控制器,使得各模块上安装的能量接收装置在进入充电区域时能够指向能量源模块以获取能量。首先,采用修正的罗德里格斯参数描述模块姿态,利用欧拉转动方程推导出模块姿态误差动力学方程,然后,利用反步法设计了自适应姿态跟踪控制器,最后的仿真结果表明了该控制器的有效性。

F6计划第一阶段的VCDM工具概述

在F6计划的第一阶段,美国4家主流航空航天公司各自研发了基于计算机仿真模型的以价值为中心的设计方法(value centric design methodology,VCDM)分析工具,用于对单个航天器和分离模块航天器的风险调整后的净价值进行量化比较。论文阐述了以价值为中心的设计方法与传统以需求为中心的设计方法的区别,描述了VCDM的设计思想、价值模型;介绍了4家公司的VCDM工具及其应用情况,并对4个工具进行了比较。