新一代载人飞船逃逸系统设计与关键技术研究

新一代载人飞船发射逃逸系统用于航天员进舱直至入轨船箭分离期间发生紧急故障将航天员带离危险区域。面向载人月球探测和近地空间站任务,采用MBSE方法系统分析了新飞船发射逃逸系统任务需求和特点,研究确定了逃逸模式和逃逸系统设计,对弹道与控制、结构与分离、气动、动力、供电与信息等开展了专项技术研究,识别出逃逸技术难点并提出了解决方法,对关键技术攻关进展进行了总结,并将在后续研制中进行充分的考核验证,确保在正式飞行任务中稳定可靠工作,以进一步提升载人飞行任务的安全性。

低地球轨道环境对材料的影响

综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响 ;从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题 ,为空间站。

LEO航天器高压太阳电池阵静电放电试验研究

低地球轨道(LEO)航天器高压太阳电池阵存在与等离子体相互作用发生静电放电(ESD)导致其失效的风险,需要确定产生一次放电和二次放电的电压阈值并采取相应的防护措施。文章模拟LEO等离子体环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试验件,试验研究了LEO条件下高压太阳电池阵在无防护与涂胶防护状态下发生一次放电和二次放电的电压阈值。在太阳电池组件同样并联间隙情况下,试验结果表明:无防护试验件发生一次放电的电压阈值为110 V,涂胶防护试验件发生一次放电的电压阈值为120 V;太阳电池电路通0.83 A电流,无防护试验件发生二次放电的电压阈值为150 V,涂胶防护试验件发生二次放电的电压阈值为160 V。因此,在设计高压太阳电池阵时,建议合理控制相邻太阳电池串之间的电压差和并联间隙,以及采用在相邻太阳电池串之间涂敷硅橡胶等措施,以有效控制太阳电池阵静电放电的发生。

低轨航天器长期轨道预报的初步研究

低轨航天器的长期管理和维护需要较高精度的长期轨道预报,影响长期预报精度最主要的因素来自低轨航天器所受的大气阻力摄动。借助平均大气密度模型,以340km高度的低轨航天器为例,研究了低轨长期轨道预报问题。利用基于长弧段的逐天精密定轨,可以修正参考点的平均密度。根据目前积累的数据,通过引入太阳自转周期27d和半年180d这2个周期拟合平均密度序列,未来的平均密度可以预报到较高精度。目前的计算结果表明,在此基础上低轨航天器的长期轨道预报精度可以得到保证,在不同算例中表现基本稳定可靠。

近地轨道航天器编队构形重构的一种四冲量控制方法

研究近地轨道航天器编队构形重构的一种多冲量控制技术。首先,基于Hill动力学方程研究轨道坐标系中三种推力器安装模式的能控性,发现在沿迹向与轨道面法向安装推力器的简单模式具有对相对运动的完全能控性;其次,将航天器编队构形重构问题划分为简单问题和复杂问题两类,并用始末构形的振幅与相位参数来表达;基于相对运动的叠加性,提出了实现构形重构的四冲量控制方法,并给出根据始末构形参数求解控制冲量大小和施加时刻的解析式;最后,进行仿真,对控制效果的偏差量进行了数值分析,并提出了一种修正沿迹漂移的二冲量方法。仿真结果表明:四冲量控制是一种有效的构形重构底层控制方法,具有简单、实用、低耗、能准确预估燃耗、适合于航天器编队的自主运行以及能显著降低复杂编队构形重构问题难度等诸多优点。

杂化聚酰亚胺的制备及其耐原子氧剥蚀性能

低地球轨道环境中的原子氧会剥蚀航天器表面材料,影响其性能和寿命,因此在使用时需要选用合适的手段来进行原子氧防护.采用溶胶-凝胶法,利用正硅酸乙酯在树脂体系中的水解-缩合反应,在基体中原位生成无机相而获得杂化聚酰亚胺.在原子氧效应地面模拟设备中,对杂化聚酰亚胺试样开展了性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了材料耐剥蚀性能与正硅酸乙酯添加量的关系、杂化材料的耐剥蚀机理.结果表明,杂化聚酰亚胺的耐原子氧性能优于原树脂,其原子氧试验质量损失仅为原树脂的31.6%~14.8%.分析认为,溶胶-凝胶过程中在树脂基体中生成的有机含硅结构和无机SiO2,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO2保护层,是杂化材料耐原子氧剥蚀性能提高的原因.

低地球轨道航天器对接放电研究

文章介绍了低轨道航天器对接放电的产生机理,通过模拟试验、电路仿真和理论分析,研究了低轨道航天器对接产生静电放电的可能性、条件、放电强度、持续时间及其影响,并提出防止静电放电危害的措施,为工程应用提出参考建议。

基于线性化运动方程的超低轨飞行器轨道修正算法

超低轨飞行器受到大气的严重影响,需要不断地实施轨道修正才能在标称轨道附近飞行。文章针对超低轨飞行器的轨道保持问题,建立了考虑地球非球形J2项摄动和大气阻力摄动的线性化运动方程,给出了基于线性化方程的修正速度增量计算方法,并研究了补偿线性化误差的方法。数值仿真表明,该方法能够保证飞行器不超出要求的精度通道。对于轨道高度为120km的飞行器,飞行1h的最佳修正次数为6,所需速度增量为63.7971m/s。

基于北斗报文通信系统的低轨航天器天基测控设计

随着北斗三号导航卫星系统全球组网成功,可在低轨航天器搭载北斗报文通信终端作为测控载荷,使用区域短报文与全球短报文相结合的测控方式实现低轨航天器测控功能。根据报文通信系统在不同北斗卫星的分布特点与服务能力,提出在中国周边与亚太地区使用区域短报文进行实时测控,在其他区域使用全球短报文进行准实时测控的设计思路。利用北斗三号系统完成低轨航天器天基测控系统设计方案,完成报文通信终端与低轨卫星地面测控中心测控流程设计工作。最后对测控系统的通信能力、测控时间与接入服务能力进行分析,证明该天基测控方法可以满足大规模低轨航天器同时进行全球全时测控的需求。

基于SCL的低轨卫星自动化上行遥控方法

上行遥控是卫星测控管理的一项重要工作,其主要任务是控制载荷工作或实施平台管理。针对低轨卫星在轨管理中实施遥控任务时人工干预多、风险高的问题,提出了基于SCL(Spacecraft Control Language,航天器控制语言)的遥控作业自动安全可靠运行实现方法,应用于低轨卫星管理的结果表明:该方法有效降低了管理风险,提高了卫星测控实施效率和自动化水平,同时对提高低轨卫星自动化和精细化管理有着重要意义。

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题,提出了一种非线性反馈控制方法.基于电磁力模型和地磁场模型,分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响;建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型;基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律,利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证.仿真结果表明,地磁场引起的电磁干扰力可以忽略,但是电磁干扰力矩的影响必须考虑;近地轨道集群航天器电磁编队是可控的,所设计的控制方法是可行的.

空间等离子体对飞船对接过程的充放电影响

基于低地球轨道空间等离子体对航天器的充电机理,根据电子、离子运动性质分析了飞船绝对电位与表面导电材料分布间的关系,讨论了对接放电过程中航天器与空间等离子体的交互作用,给出了其计算方法和相关试验结果。从空间环境角度为工程实现提供了理论依据和参考。

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。

A MEO Tracking and Data Relay Satellite System Constellation Scheme for China

A medium earth orbit （MEO） tracking and data relay satellite system （TDRSS） constellation scheme for China is proposed. This system consists of MEO satellite constellation, inter-satellite links （ISLs） and terrestrial gateway station, which can provide continuous bidirectional data transmission links between low altitude spacecrafls and the terrestrial gateway station in China. Theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed constellation can cover the global low altitude space sphere and earth surface of China continuously, and has a preferable practical perspective.