空间斯特林热电转换技术在轨试验

为提高空间同位素电源的效率和功率,满足深空探测、载人登月和火星登陆等航天任务对航天器能源的需求,梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术,设计了天宫空间站空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案,在轨开展了斯特林热电转换试验,验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术,获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。在轨试验结果表明,试验装置在轨运行性能良好,热电转换效率达到24.72%,为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。

基于SGP4模型的空间站轨道精度分析

针对在地面站天线对空间站观测任务中,通常基于卫星工具包(satellite tool kit,STK)软件规划出天线对空间站的方位角和俯仰角,实现天线对空间站的自动跟踪.为了保证天线跟踪的准确性和可靠性,需要定期计算出准确的空间站轨道和天线的方位俯仰角,并更新规划任务.因此科学分析与评估空间站两行轨道根数(two line elements,TLE)长期预报精度,对地面站实现空间站的精准跟踪具有重要意义.本文以中国空间站(China Space Station,CSS)梦天实验舱为例,基于TLE数据,利用STK软件提供的简化常规摄动规模型(simplified general perturbations4,SGP4)模型计算空间站轨道以及空间站相对于西安地面站的方位角和俯仰角,并分析不同策略下的精度效果.试验结果表明:在第二天更新空间站的TLE,可以获得较好的轨道结果,从而更好地保障天线的跟踪精度.

遥感卫星地面站天线遮挡预报模型及其应用

基于遥感卫星地面站业务运行中所遇到的实际问题和运行经验,为降低因地面站天线周边遮挡物对低轨道空间科学卫星、陆地观测卫星等极轨卫星的空间通信任务所产生的影响,以提高航天器和地面的有效通信时长和通信质量为目标,将地面站天线作为基准,对周边环境的遮挡进行建模分析.建立遮挡模型空间几何关系,模型选择推导“天线无遮挡最小仰角”的求解思路,通过模型分析和推导得到了遮挡物的实体遮挡模型公式和大型天线遮挡模型公式.通过模型验证,将模型计算结果同实际遮挡采样信息对比,结果表明遮挡模型和遮挡实际情况基本吻合,模型计算结果准确度可达到99.67%.以天线遮挡预报模型为信息支持,将天线遮挡预报封装成服务,在任务规划阶段调用天线遮挡预报的计算服务和相应任务规划策略,以实现天线遮挡预报模型在地面站运行管理资源调度中的工程应用.经试运行和应用统计结果表明,某地面站的运行管理资源调度优化率达到56.07%.

空间站核心舱舱外大型控制力矩陀螺热控设计与验证

针对舱外大型力矩陀螺结构复杂、热耗高、传热路径差,且对温度控制具有严格要求的问题,以空间站核心舱为例,文章提出了从系统热控需求出发,以辐射为主、电加热为辅的热控思路,并建立了仿真分析模型,得出了布局位置、轨道姿态、设备周围环境对陀螺热状态的影响。经与在轨遥测数据对比分析,结果表明:该热控设计工作合理有效,可为控制力矩陀螺在轨温度预示提供依据,为其他舱外大型复杂设备热控设计提供解决思路。

空间站主动电位控制技术及其天地一体化验证

针对中国空间站100 V太阳电池阵引起的结构带电威胁航天员出舱活动安全问题,通过空间站结构充电模拟仿真与理论计算,研究了空间站在低轨道等离子体和地磁场环境下的充电特性,得出最恶劣条件下,空间站结构充电电位最大可达-108.6 V。并针对空间站的太阳电池阵电子吸收充电特性,以及电位控制需求,开展了自适应主动电位控制方法研究,采用空心阴极电子发射技术,研制了中国首个测控一体的空间主动电位控制系统,该系统完成了电位控制地面模拟试验验证,并搭载于空间站天和一号核心舱,实现了在轨应用。空间站在轨电位检测数据表明,主动电位控制系统成功将中国空间站结构电位从-55 V控制到-12 V以内,保障了航天员出舱活动的生命安全。

载人月球探测轨道设计的挑战与技术发展趋势

轨道设计是载人月球探测工程中的一个重要问题,直接影响工程实施的效果、甚至成败。本文概述了载人月球探测工程中涉及的飞行轨道,指出了轨道设计所面临的三方面挑战,即飞行轨道方案、轨道设计效率、任务全局最优化的挑战;简要介绍了国内外载人月球探测轨道设计的研究进展;提出了当前载人月球探测轨道设计需要重点突破的几个关键技术问题,包括一体化轨道设计与优化、应急任务轨道设计、地月空间任务高鲁棒性轨道设计、月球轨道空间站的轨道设计和地月空间轨道通用设计软件等问题。

空间机械臂在轨维护任务规划与验证研究

随着我国空间站建设和载人航天计划的进一步实施,航天员舱外活动将成为实现复杂空间操作的重要任务。为了确保航天员在轨维护空间机械臂的任务规划切实可行与工作效率,需要将航天员在轨维护流程、工具装置操作过程进行仿真分析与地面试验验证。航天员在轨维护空间机械臂的任务是系统性工程,涉及维修流程设计、备件转移、航天员操作空间分析和操作能力分析等多方面内容。以航天员舱外维护空间机械臂为背景,建立空间站运营中航天员在轨维护机械臂的任务规划与验证系统,验证航天员可达性及维修过程可操作性分析,评估航天员在轨维护梦天舱机械臂任务设计的合理性,为后续开展航天员舱外活动训练与实施提供理论依据。

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。

基于PPO2强化学习算法的空间站轨道预报方法

影响热层大气密度的因素较多且变化机理复杂,很难建立准确的大气模型,导致大气阻力摄动成为空间站轨道预报精度的主要影响因素之一。研究了基于PPO2强化学习算法的轨道预报方法,利用强化学习网络修正大气模型中的相关参数,提高了轨道预报精度。首先建立了空间站的轨道动力学模型,分析了大气模型参数的误差特性,设计了基于强化学习的轨道动力学模型修正方案。选择PPO2算法作为强化学习算法,设计了训练参量与强化学习网络模型,生成了PPO2算法的训练和测试样本,完成了仿真训练与测试。仿真结果表明,该方案能有效补偿大气密度模型不准确造成的轨道预报误差,提高空间站轨道预报的精度和效率。

中国空间站在轨科学实验任务规划方法及应用

为保障中国空间站平台稳定运行,使得在轨设施利用率维持较高水平,建立空间站科学实验任务规划模型,基于冗余原则设计最大时间冗余度下的任务规划方案。考虑设备支持、上下行、功率、工时等复杂约束,优化空间科学应用项目的在轨设施规划,得到制约应用效益最大化的主要因素。以中国空间站建造期生命科学与生物技术方向实验项目为例的算例,实验结果表明,规划方案能够实现在轨设施利用率最大化,为在轨资源扩展、上下行能力提升以及地面项目培育等提供参考。

一种面向旋转空间站的绕月双曲交会导引控制方法

针对面向环月旋转空间站的绕月双曲交会导引过程,提出一种多阶段导引控制方法。关于近程导引的设计,采用连续推力条件下相平面开关控制的方法进行制导。关于远程导引的设计,提出基于偏差演化线性近似法的脉冲修正控制方法,达到了远距离粗制导的目的。对可能存在的异面偏差扰动,采用一种阻尼振动形式的控制加速度进行异面偏差修正。仿真结果表明,该方法能够精准高效地解决面向旋转空间站的绕月双曲交会导引控制问题。研究结论可为降低载人月球探测任务运输成本提供参考。

地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨

下一代导航系统拟纳入低轨卫星(LEO)作为增强和备份。研究了地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨(POD)理论与方法,基于实测国际地面站(IGS)和低轨卫星星载GNSS数据,通过建立高精度动力学模型和观测模型,根据全球测站和区域测站两种情况进行了导航星与低轨星的联合精密定轨试验。结果表明,联合定轨可同时获得导航星和低轨星厘米级的定轨精度。低轨星作为高动态天基测站,对导航星定轨精度的提升程度可达20%~90%。

引力引起的空间站轨道与姿态耦合动力学方程的建立和计算

在重力作为耦合源的情况下,本文建立了适合于数值计算的空间站轨道与姿态耦合动力学方程,摄动因素计及了J_2、J_3、J_4、J_5、J_6球带调谐项的影响,姿态运动的参考轨道取为空间站的有摄轨道。计算结果表明了所建耦合动力学模型的数值实用性。

大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境,将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统,采用自然坐标法对刚性构件建模,基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构,编写了一套动力学仿真软件,实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明,采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性;在结构组装过程中,减小组装速度,增大组装机构阻尼系数与劲度系数,有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法,为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。

空间站在轨密封检漏技术研究

空间站除了在地面需要进行充分的总装检漏试验之外,还必须进行在轨运行时的密封检漏,这对于保证航天员的安全和飞行任务的成功非常重要。文章提出了空间站总漏率实时监测技术、空间站结构泄漏点定位与定量检测技术、航天员舱外检漏技术,以及空间站结构泄漏堵漏技术的具体方案和技术途径,并对关键技术做了比较充分的分析。该系统技术的研究与发展能为空间站的在轨泄漏检测提供可靠的保障。

国外空间站在轨维修策略研究及启示

空间站长期在轨稳定运行,离不开航天员的在轨维修。本文介绍了国外空间站在轨维修的一些相关情况,重点对国外空间站在轨维修方式、维修级别、维修类型以及维修时间进行了分析,通过对国外空间站在轨维修策略的分析,给出了对我国开展空间站在轨维修的一些启示。

载人航天器与空间站共轨飞行轨道维持策略

针对载人航天任务中面临的与空间站保持长期共轨飞行的轨道问题,分析了航天器在地球扁率J_2项摄动以及大气阻力摄动作用下,长期共轨飞行航天器半长轴、相位和升交点赤经的变化特性,并设计了仅通过面内调整同时实现面内和面外调整的共轨维持的控制策略。通过仿真算例验证了控制策略的有效性,轨道维持的燃料消耗合理。可为我国载人航天器与空间站共轨方案设计提供参考。

走向太空的焊接技术

国内目前正在紧锣密鼓地开展空间站建设工作。国外空间站建设的经验表明,空间在轨制造技术是保证空间站长期有效运行的重要手段之一。焊接作为空间在轨制造技术的重要组成部分,早已随着人类探索宇宙空间的步伐走向太空。文中通过大量文献分析和综述,概述了国外太空焊接技术的发展历程以及国内太空焊接技术的研究现状,分析了中国与发达国家的差距,对国内空间焊接技术未来的发展方向提出了建议,为中国进一步开展空间在轨焊接技术的研究提供了重要参考。

空间站和GNSS共视的差别及精度对比分析

为了对比空间站和导航卫星共视的性能差异,深入分析影响共视性能的主要误差源特征,推进共视技术进一步发展,以对共视时间比对基本原理的分析为基础,从系统设计和关键误差源影响两个方面对比分析空间站和导航卫星共视的差异。理论研究结果表明,不同于导航卫星共视,轨道误差是影响空间站共视精度进一步提升的主要因素;此外,空间站共视还需考虑地球引力时延等精细误差的影响。最后,设计并实施了仿真实验和实测实验,通过实验数据进一步对比两者的性能差异。实验结果表明空间站和导航卫星共视各有利弊,虽然空间站共视的服务区域和连续性逊于导航卫星共视,但可以实现的共视精度至少比导航卫星高一个数量级。

光压摄动对空间太阳能电站轨道的影响研究

针对以重力梯度稳定方式设计的3种典型空间太阳能电站轨道动力学问题,提出了考虑地影和有效截面积变化的太阳光压模型.首先,采用能量方法,通过Legendre变换,引入广义动量,建立了Hamilton体系下轨道的正则方程;其次,采用辛Runge-Kutta方法求解相应的正则方程;最后通过数值试验分析,验证了模型的有效性以及数值求解方法的稳定性.同时,说明了地影和有效截面积变化对空间太阳能电站轨道有显著的影响;给出了空间太阳能电站对其半长轴、离心率以及轨道倾角的轨迹曲线,为空间太阳能电站的设计提供一种理论参考.