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。

“天宫一号”目标飞行器信息管理策略

"天宫一号"目标飞行器信息系统作为目标飞行器的重要功能系统,主要完成目标飞行器内部信息管理以及与地面和载人飞船的通信管理,确保目标飞行器的健康和稳定运行,支持目标飞行器各项任务的完成。文章对"天宫一号"目标飞行器信息系统的信息管理策略进行了概述,包括信息管理需求、设计原则、系统组成、主要技术特点以及可靠性安全性设计。"天宫一号"目标飞行器信息系统的信息管理策略经过首次无人和有人交会对接任务验证,满足任务要求,为后续空间站信息系统详细设计奠定了基础。

天宫一号目标飞行器电源分系统设计

介绍了天宫一号(TG-1)目标飞行器电源分系统的组成和主要技术指标。分析了国内在低轨飞行器上采用100 V高压母线、大批量使用国产氢镍电池、三结砷化镓太阳电池片和半刚性基板等关键技术。回顾了电源分系统研制过程中高电压元器件体系建立、半刚性帆板力学及空间环境设计与验证、氢镍电池在轨寿命和可靠性研究,以及高压电源系统可靠性及安全性研究等主要工作。给出了在轨运行情况。TG-1目标飞行器电源分系统的研制为我国后续空间技术的发展打下了基础。

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。

空间实验室技术综述及发展战略

空间实验室是一种可进行多项载人航天科学实验的飞行器。迄今为止,国际宇航界研制的空间实验室可分为两大类:一类是具有自主在轨运行支持功能,可独立完成任务;另一类是在其它航天器的支持下完成任务。发展空间实验室是掌握空间站技术的必经之路,我国正在开展空间实验室研制工作。分析国际空间实验室的发展规律,阐述我国空间实验室的发展思路以及目前的研制进展情况。

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。

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。

天宫一号单框架控制力矩陀螺研制及长寿命转子轴系技术

单框架控制力矩陀螺是天宫一号目标飞行器的关键姿态控制执行部件.2011年9月,单框架控制力矩陀螺随天宫一号目标飞行器成功发射,在轨工作平稳、表现出色,圆满成功完成了天宫一号姿态控制、交会对接任务、组合体姿态控制等全部在轨任务,进入扩展任务阶段.本文介绍了单框架控制力矩陀螺的任务需求、设计方案,详细阐述了其关键技术——长寿命转子轴系技术的设计与验证情况.天宫一号单框架控制力矩陀螺实现了我国自主研发单框架控制力矩陀螺的首次在轨应用,其设计、研制及长寿命转子轴系技术的攻克与验证,对我国其他型号用单框架控制力矩陀螺设计与研制,具有重要的借鉴意义.