载人航天器在轨维修性系统设计

针对载人航天器在轨维修的特殊性,提出了适用于载人航天器系统设计的维修性设计思想。根据维修性设计理论和工程设计的实际需求,建立了载人航天器维修性系统设计流程,给出了维修性系统指标的确定方法、在轨可更换设备的选择方法、以及维修性分配和预计方法。为载人航天器系统维修性设计提供了一个技术途径。

在轨可更换模块对接接口技术综述

针对航天工程上对航天器进行模块更换的在轨服务与维护技术需求,梳理了国内外在轨可更换模块对接接口技术的研究进展和成果。从对接接口与机械臂动作特点出发,重点对其技术需求、功能原理、性能指标等进行了综述,对国内外在轨可更换模块对接接口技术的差距进行了对比分析,并提出了我国在轨可更换模块对接接口关键技术的发展方向。

空间交会对接机构综述及发展展望

空间交会对接是发展航天事业、探索未知空间的必要技术,针对航天工程中载人送货或在轨维修的航天器交会对接技术需求,重点梳理了多年来国内外空间交会对接机构的研究进展与成果。将利用火箭发动机推进技术实现航天器结合的机械式空间交会对接机构区分成锥杆式、周边式、三爪式3类,并对比阐述了它们工作模式的不同。沿着空间交会对接技术的发展主线,概述了大小型航天器、在轨可更换模块的对接机构形式、锁紧结构和工作原理。通过国内外的综述内容对比,揭示了国内空间交会对接机构发展的技术差距,提出了空间交会对接机构发展的关键方向与核心技术,为我国航天事业的发展提供参考。

在轨替换单元杆锥式三维碰撞动力学行为

为研究在轨替换单元与目标航天器定位导向过程中的接触碰撞动力学行为,以配备有杆锥式定位导向结构的目标航天器与在轨替换单元(ORU)为研究对象,考虑定位导向机构的结构特点与实际定位过程的位姿状况,建立了航天器与ORU定位导向过程的三维碰撞动力学模型(NE-CR-LN三维接触动力学模型),并推导了三维空间中锥杆间碰撞检测方程。该模型应用矢量分析方法,考虑锥杆导向系统的自身特点将其划分出四种不同的接触工况。通过将模型数值结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析,验证了NE-CR-LN动力学模型的正确性。针对ORU的定位要求,进行典型定位导向工况下的接触碰撞仿真及试验分析,导向仿真过程和动态分析结果表明,NE-CR-LN三维接触动力学模型可以在一定条件下模拟实际接触碰撞过程。

基于SOIS的在轨可更换模块接口设计

针对航天器对在轨维修、硬件更换、功能升级等在轨服务的需求迫切性问题,提出了在轨可更换模块的接口设计方法。将SOIS(航天器星载接口业务)协议运用于ORU(在轨可更换模块)接口设计中,借助SOIS对星载软硬件设备进行协同设计,降低ORU的设计开发成本,提高ORU的适用范围,便于模块更换的实现。基于在轨更换的应用场景,分析了ORU接口的设计需求。在此基础上,给出了ORU体系结构,完成了ORU接口的机、电、热设计。

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失,而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成,从而得出在轨可更换模块的机构设计方案,进而又对在轨可更换模块进行结构设计,利用SolidWorks软件建立该结构的三维模型,实物模型验证了其可行性。

载人航天电子单机在轨维修技术

为提高载人航天电子单机可靠性,提出了适用于在轨维修电子单机的维修性设计方法。通过分析电子单机失效模式,确定了修复性维修的在轨维修策略,建立了内部在轨维修单元(Orbital Replaceable Unit,ORU)的选择流程;依据维修性理论,给出了ORU的维修性分配、预计和评价方法,最后对电子单机在轨维修关键技术进行了总结。运用上述方法和技术研制的电子单机在中国某载人航天器上顺利通过了在轨维修试验,可为中国载人航天电子单机的维修性设计提供技术支撑。

在轨模块更换任务动力学与控制仿真系统

航天器在轨模块更换任务的总体仿真是对总体方案进行系统性分析和论证的重要手段。文章基于天基平台在轨模块更换技术的研究,搭建了在轨模块更换仿真演示验证系统,介绍了仿真系统总体架构,建立了包括空间环境、轨道、动力学、控制、电源、测控等各分系统在内的仿真系统。重点对交会对接、在轨模块更换过程涉及的航天器平台及机械臂的动力学特性、控制方法等进行了仿真建模,并通过一个仿真实例,验证了所提出控制算法的有效性。

面向任务需求的在轨维修地面验证方法研究与应用

维修性验证对航天器在轨维修具有重要的作用和意义。从空间站维修性验证任务需求出发,结合验证对象、验证项目、验证环境等方面,对国内外常用维修性验证方法进行比较分析,提出了分步归类的地面验证思路及一种化繁为简的零重力局部环境模拟维修性验证平台,以适应空间站各类大量在轨维修设备的维修全流程验证需求。