液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求,开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程,给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式;考虑系统实现的时延影响,利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数;在控制具体实现中,采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略,克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架"锁死"现象,在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。

多自由度气浮仿真试验台的研究与发展

气浮台仿真是卫星等航天器地面仿真试验的一种重要手段,其中多自由度气浮仿真试验台可以用来研究航天器的编队飞行、轨道机动和空间交会等问题。文中对国内外近几年多自由度气浮仿真试验台的研究状况进行了较详细的介绍,归纳总结了当前的研究热点和发展趋势,旨在为我国相关技术研究人员提供更多的参考和借鉴。

微波等离子推进器(MPT)的应用探索研究

重点分析讨论了微波等离子推进器（ＭＰＴ）的基本原理、结构特征和应用前景，并通过对已有理论与实验研究结果的分析，认为ＭＰＴ是一种高比冲、长寿命的小推力动力装置，特别适合用作空间动力，进行航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、对接交会和星际航行。尽管ＭＰＴ目前仍处于理论探索与实验研究阶段，但研究结果表明，它是前景十分诱人的新型空间动力系统。

探月卫星变轨时的姿态控制研究

基于伪速率调制器的原理,提出了利用脉宽调制器替代伪速率调制器 实现姿态控制的方法,并针对于三种不同干扰力矩,对探月飞行器变轨时的姿态 控制加以仿真。仿真结果表明,脉宽调制器在功能上可以代替伪速率调制器。

载人机动装置的姿态与轨迹控制

论述了载人机动装置（MMU）在载人航天中的作用，介绍了MMU控制系统的配置，MMU姿控发动机与轨迹控制发动机的协调控制，MMU的姿态测量以及姿态控制逻辑，分析了MMU姿态控制与轨迹控制的相互影响，最后给出MMU舱外活动的姿态控制以及姿态和轨迹连锁控制的数学仿真结果。

空间飞行器姿控发动机布局方式的优选

在液体推进剂动力系统质量模型的基础上,针对采用双组元推进剂姿控发动机的空间飞行器,在总有效控制冲量和有效冲量矩一定的条件下,提出了优选动力系统总质量最轻的姿控发动机布局方案的一种途径。

挠性卫星轨控期间动力学与姿态控制

卫星轨道控制期间,轨道控制推力会激振挠性太阳帆板,从而也影响卫星的姿态。用拉格朗日方程建立了带有大型太阳帆板的卫星动力学模型,分析了卫星质心运动、姿态运动与挠性振动的耦合关系。根据姿态控制推力器的输出特性,设计了轨道控制期间卫星姿态控制方案。通过数学仿真验证了轨道控制推力对挠性帆板与卫星姿态的影响,验证了轨控期间姿态控制方案的有效性。

国外宇航员舱外机动装置发展综述

综述了“双子星座”和航天飞机等空间飞行器上的宇航员舱外机动装置( MMU) 的发展历程、技术特点及主要技术参数,并对其优缺点进行了分析。

立方体卫星质量矩姿态控制建模与布局优化

针对使用固体火箭发动机进行立方体卫星快速变轨机动过程中存在的姿态翻转问题,创新性地提出应用质量矩控制技术实现其姿态稳定。首先推导了完整的八自由度动力学模型,并深入分析了质量矩控制机理;然后利用仿真手段对质量块移动产生的附加扰动力矩以及系统耦合进行了研究,并指导了执行机构的布局优化设计;最后提出的双对称执行机构保证了附加扰动小的同时还大幅降低了通道间耦合。仿真表明该系统具有良好的操纵性。

使用固体火箭发动机的快速机动卫星质量矩控制研究

针对使用固体火箭发动机进行卫星快速变轨机动时的姿态翻转问题,提出使用二维质量矩控制技术予以解决。首先分析了喷气阻尼力矩对三轴稳定卫星姿态的影响,随后建立了考虑推进剂燃烧过程的完整动力学模型,并从通道耦合以及扰动力矩角度对模型特性进行了分析;最后利用仿真手段对质量矩控制卫星姿态的可行性进行了仿真分析,同时考察了发动机不同装药形式以及外形尺寸对控制系统操纵性能的影响。结果表明:二维质量矩控制卫星姿态是切实可行的,且短粗型的发动机结构对控制系统设计更加有利。

基于退步法的敏捷航天器姿态控制方法

主要研究敏捷航天器大角度姿态机动问题。首先,以SGCMG(Single Gimbal Control Momentum Gyroscope,单框架控制力矩陀螺)为执行机构,建立了基于四元数的航天器姿态机动数学模型;然后,针对SGCMG的奇异问题,研究了基于力矩输出和回避奇异能力最优的联合操纵律;最后,基于敏捷航天器姿态误差模型和李雅普诺夫稳定理论设计了一种退步控制律。仿真结果表明,该控制方法能够很好地实现大角度机动目标并有效避免了SGCMG的奇异状态,满足姿态机动任务的控制精度和稳定度要求。

多用途液体上面级GNC系统方案研究

研究了一种多用途液体上面级的GNC系统方案,提出了SINS+GPS组合导航方案,轨道霍曼转移+最优制导方案和姿态预测控制方案。对GNC系统功能和特点,系统组成及系统方案进行了详细的描述,介绍了其针对现有任务和现有技术的设计思路和设计中的主要问题及解决方法。初步的仿真结果证明了系统方案的可行性。

载人飞船连续偏航姿态下轨控机组热控设计

为保证载人飞船在新的连续偏航姿态下轨控机组的热控状态满足各组件温度指标要求,利用I-deas/TMG软件对连续偏航飞行姿态、原热控状态下的轨控机组进行了高温工况在轨仿真分析,根据分析结果提出了高温工况下热控状态设计改进方案。对改进热控措施后的轨控机组进行多轮高温工况热分析计算和低温工况功率复核。结果表明:新热控措施能够保证轨控机组各组件在工作过程中温度均符合温控指标要求,可开展工程应用。

MMU月面起飞燃耗最省轨迹和推力设计研究

载人机动装置(MMU)携载航天员在月面机动飞行包括上升转弯段、巡飞段、转弯下降段,本文研究上升转弯段燃耗最省轨迹和主发动机推力优化问题.首先采用Pontryagin极小值原理,推导出MMU发动机推力大小和方向的最优函数形式.结果表明,推力大小是开关形式,且最多切换一次,故只需用"开"和"关"持续时间两个参数描述;推力方向角的余切是时间的仿射函数,只需用该函数的斜率和截距两个参数描述.上升转弯段和巡飞段交接,故上升转弯段的末状态受飞行高度、速度大小和方向三个条件约束,这样就将燃耗最省最优控制问题转化为三等式约束下的四参数非线性规划问题,设计自由度仅为一,只需用单自由度搜索即可快速求解.数值仿真验证了本文所提方法的有效性.