中国载人交会对接技术的设计与实现

中国在载人航天工程第二步第一阶段任务中,自主研制了天宫一号目标飞行器和神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船,通过3次在轨飞行任务完成了8次交会、6次对接,覆盖了自动和手动等多种交会对接模式,突破并掌握了交会对接技术.从交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离、飞行方案,以及试验验证等方面对中国载人交会对接设计的技术特点、所采用的创新技术方法和解决的技术难题进行了介绍,在飞行验证的基础上分析了工程任务取得的成果,与国际水平进行了综合比较,对中国载人交会对接技术的设计和研制情况进行了总结.     

神舟飞船交会对接自动控制系统设计

2011年11月、2012年6月、2013年6月相继发射的神舟八号、神舟九号、神舟十号无人和载人飞船分别与天宫一号目标飞行器成功地进行了4次自动交会对接.本文首先简要介绍了神舟飞船交会对接自动控制系统的组成和飞行阶段划分,重点对自动交会对接制导、导航和控制的设计方案和算法进行了介绍,对决定交会对接任务成败的导航精度、制导精度和控制精度进行了分析,并给出了在轨飞行验证结果.     

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制（GNC）技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.     

神舟七号飞船出舱活动气闸舱的研制

我国研制成功的第一个出舱活动气闸舱——神舟七号飞船气闸舱,在充分利用现有的技术基础上,对飞船原有轨道舱从系统方案、总体布局、热控制、泄复压、舱外航天服舱载支持、话音通信、人机工效等方面进行了重新设计,既可作为2人出舱活动气闸舱,又可兼作3人的生活舱.经过了全面的地面试验验证后,圆满完成了出舱活动飞行试验,突破了气闸舱关键技术.神舟七号飞船气闸舱在技术上有重大创新,使我国成为世界上第三个独立掌握空间出舱活动技术的国家,其综合技术达到国际先进水平.     

载人飞船型谱发展研究

我国"神舟"飞船已成功执行了十次飞行任务,从"神舟十号"开始转入应用性飞行,标志着我国已建成了功能完备的近地轨道载人天地往返运输系统."神舟"载人飞船以三舱构型为基本型,通过逐步补充和完善功能,已形成了天地往返飞船、出舱活动飞船和交会对接飞船3种型谱,具备执行近地轨道空间站天地往返运输任务,也可根据需要开展出舱活动等近地轨道载人飞行的其他任务.未来载人航天发展必须向超越近地轨道,向更远的深空目标探索,因此有必要尽快研制更安全、更可靠、能适应近地和深空多任务的新一代载人飞船.     

天宫一号与载人飞船组合体能源管理设计与验证

天宫一号和载人飞船构成组合体期间,载人飞船处于停靠状态,由天宫一号负责组合体能源管理.基于供电安全性和传输功率的要求,组合体进行了近端采样反馈电压控制的并网供电架构设计.经过仿真、地面测试和在轨飞行试验验证,表明天宫一号与载人飞船组合体供电并网设计正确,为载人空间站工程各组合体间供电并网设计提供了有力保证.     

天宫一号基于控制力矩陀螺的智能多模自适应姿态控制系统设计与验证

天宫一号是目前我国在轨运行的体积最大、重量最重的载人航天器.它具有变构型、变参数的特性,采用控制力矩陀螺系统和喷气推进系统实现高精度、高稳定度姿态控制.本文通过对天宫一号控制对象参数缓变和跳变相结合特点的分析,规划了高可靠灵活的控制策略,设计了智能多模自适应姿态控制系统.利用智能控制中规则集设定多模自适应控制的指标切换函数分配,利用多模自适应控制算法建立多模型控制器实现不同控制对象,不同控制任务的姿态控制.天宫一号通过地面测试和物理仿真试验,最后发射在轨运行,与神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船圆满完成交会对接任务,充分验证了姿态控制系统设计的正确性和有效性.该设计方法在解决大型航天器变构型、变参数组合体姿态控制方面有突出优点,在未来的载人航天领域空间站建设具有应用前景.     

嫦娥二号卫星技术成就与中国深空探测展望

嫦娥二号卫星是中国第二颗月球探测卫星,设计主要目标为先期验证后续月球着陆任务的部分关键技术,并深化月球科学探测.圆满完成既定任务后,嫦娥二号飞离月球,进入行星际空间,在国际上首次实现从月球轨道转移日-地拉格朗日L2点.此后,在距地700万千米,实现国际上首次与4179图塔蒂斯小行星近距离交会并获取最高分辨率优于3m的光学图像.本文主要描述了嫦娥二号卫星的主要任务要求、任务特点、研制历程、在轨飞行评价、扩展任务、后续飞行状态和取得的主要技术成就.在分析、对比国内外深空探测现状的基础上,提出未来我国深空探测后续发展的几点建议.     

月地高速再入返回任务轨道设计与飞行评价

系统介绍了嫦娥五号再入返回飞行任务轨道设计的过程以及飞控实施结果.首先,给出了自由返回轨道的方案选择和标称轨道设计方法;其次,针对返回器进入再入走廊的要求,有针对性的设计了相应的中途修正策略,包括全参数瞄准,部分参数瞄准以及预偏置等修正策略;最后,对在轨飞行结果与设计预期进行了比较.飞行结果表明,再入返回飞行任务轨道设计结果正确,可以满足再入飞行任务要求.     

神舟飞船交会对接人工控制系统设计

神舟九号飞船首次人工控制(以下简称"人控")交会对接的圆满完成,标志着我国全面掌握了空间交会对接人工控制和自动控制技术.交会对接人控系统为航天员提供稳定可靠的操作平台和驾驶飞船的操作方法,对人控交会对接任务的成败起着至关重要的作用.本文在分析交会对接人控系统设计原则的基础上,阐述了人控交会对接控制系统组成和各主要部件的工作原理,首次提出了通过电视摄像机图像进行相对状态确定的测量参数定义及其估计方法,并给出了人控交会对接的操作方法.神舟九号的在轨验证说明了交会对接人控系统操作简单、可靠,满足高精度的对接要求,该项技术具有良好应用前景.     

飞行器GNC试验子系统新技术及验证

飞行器GNC试验子系统是月地高速再入返回飞行器制导导航与控制(GNC)分系统的3个子系统之一,由中心控制单元、小型星敏感器、星敏防尘机构3台新研产品组成.同时,飞行器GNC试验子系统也是探月三期着陆上升组合体GNC子系统的一个产品子集.为满足探月三期的重量与功能需求,中心控制单元采用了可编程片上系统(So PC)技术进行集成化设计以减轻重量,并为适应空间辐射环境进行了多重防护设计;小型星敏感器采用非球面光学系统及高速处理电路等技术有效地减少了产品重量;星敏防尘机构以微型步进电机为核心,优化了结构、阻尼等细节设计,在满足功能要求的同时做到了重量的优化.为了更为真实地利用飞行器任务对上述产品进行在轨验证,设计了一种"虚拟卫星控制系统"的在轨验证方法,在试验子系统没有执行机构和真实受控的航天器对象的条件下,构造了被试验产品的在轨闭环验证环境.本文详细介绍了上述新研产品的关键技术和系统验证方法,并结合在轨验证情况给出了新研产品的验证结论.     

天宫二号机械手关键技术及在轨试验

空间机械臂可以降低宇航员舱外活动风险,提高空间探索效率,具有广泛的应用前景.近年来随着机器人技术的发展,空间机械臂逐渐成为空间技术领域的热点研究方向.天宫二号空间实验室任务中的人机协同在轨维修科学试验是天宫二号三大关键试验任务之一,其核心是天宫二号机械臂系统.这是一套集成了多种传感器、具备多种控制模式的舱内空间机器人系统,包括6自由度机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机和全局相机、在轨人机接口(空间鼠标和数据手套)等模块,其设计目标是:在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证任务;对空间机器人关键技术以及在轨人机协同关键技术进行验证和评价;为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累经验和数据.针对人机协同中的安全性问题,采用基于可变步长的轨迹规划方法,使机械臂在与周围环境发生接触时能够局部智能地调整其运动轨迹,达到减小或者消除碰撞力的目的;针对五指灵巧手的抓握控制问题,提出了基于目标物体笛卡尔刚度的协调抓握控制方法,以适应外力的变化达到稳定抓握的目的;针对数据手套与灵巧手之间的位姿映射问题,采用基于指尖位置的人手与五指灵巧手运动映射方法以达到精确位姿映射.天宫二号机械臂系统于2016年9月15日随天空二号空间实验室发射入轨.在10月27日到11月13日期间,宇航员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验,成功完成了所有预定任务,为今后空间机器人的应用奠定了基础.     

探月三期月地高速再入返回飞行器技术设计与实现

探月三期月地高速再入返回任务是我国首个深空探测再入返回任务,研制目的是突破和掌握月地高速再入返回关键技术,为嫦娥五号任务研制奠定基础.本文给出了月地高速再入返回飞行器的任务特点,进行了任务概貌和研制过程介绍,阐述了双平台和多目标飞行器方案设计及飞行过程设计情况,并给出了在轨飞行结果.结果表明,月地高速再入返回飞行器所有功能性能均满足任务要求,在轨飞行状态正常,技术设计正确可行.     

基于集成数字化的月地高速再入返回飞行器飞控支持系统

2014年11月1日,月地高速再入返回飞行器准确着陆在内蒙古四子王旗预定区域,标志着探月三期再入返回试验任务取得了圆满成功,标志着中国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术,为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础.飞控支持系统对卫星飞控期间的飞控策略制定、仿真验证和设计方案优化起到了关键作用.本文介绍基于集成数字化的月地高速再入返回飞行器飞控支持系统的原理及体系结构设计,并对其中处理器加速模拟、虚拟芯片建模、自动测试脚本、通用人机交互、数据动态辅助判读等关键技术进行剖析,最后给出了飞控支持系统的实用效果.经过在轨实际验证,飞控支持系统通过快速精准预示,解决了卫星飞控任务约束条件复杂、决策困难等问题,并为后续卫星飞控系统的发展积累了丰富的理论和工程经验.     

嫦娥四号着陆器制导导航与控制系统

嫦娥四号着陆器实现了人类首次月球背面软着陆任务,着陆器的制导、导航与控制(GNC)系统是最重要的分系统之一.针对嫦娥四号着陆器月球背面软着陆的任务特点,本文提出了月球背面着陆轨迹设计、前后台并行容错导航、自主故障诊断和处理策略.实际在轨飞行结果表明,这些算法合理可行,着陆器成功着陆在预定着陆区,着陆姿态和速度优于需求,圆满完成了软着陆任务.本文介绍了嫦娥四号着陆器GNC系统的要求、组成、部分算法以及在轨飞行结果.     

嫦娥四号中继星伞状可展开天线关键技术研究

嫦娥四号中继星伞状可展开天线采用发射时收拢、入轨后展开的可展开结构方案,有效地解决了中继星应用中的多项技术难题.天线在轨成功展开、在轨性能稳定和承受极低温环境性能不发生破坏是保证中继通信任务成功的前提,对应了天线展开技术、在轨性能稳定性控制技术和极低温环境适应技术等三项关键技术.本文首先对天线展开技术开展研究,设计采用了缓释弹簧分布式驱动展开技术,对展开技术方案进行了介绍,开展高低温环境下天线展开可靠性验证,为天线在轨展开环境选择提供了指导;其次,开展在轨性能稳定性控制技术研究,从材料选择、结构设计和提高反射面平衡态稳定性等方面采用控制措施,进行天线在轨热分析和热变形测试及预示,结果表明在天线最大在轨热变形情况下,天线型面精度仍满足指标要求,确保了天线在轨性能满足任务要求,并验证了天线在轨热变形控制措施的有效性;第三,针对天线在轨经历极低温环境,设计了部件级试验验证结合整机仿真分析的试验验证方法,很好地解决了极低温环境的验证问题,天线经历极低温存储后,结构无损坏,性能无下降,满足天线在轨环境适应性的要求,有效地支撑了嫦娥四号中继星中继通信任务的顺利执行.     

嫦娥四号着陆器在轨实践总结与评估

嫦娥四号着陆器于2019年1月3日着陆月球背面,实现了人类首次月球背面软着陆.与着陆月球正面的任务相比,嫦娥四号着陆区选择在月球背面南极-艾特肯盆地内,地形崎岖,无法直接与地球通信,嫦娥四号着陆器飞行控制过程需对月球背面复杂地形环境和中继通信带来的约束进行针对性设计.实际在轨飞行结果表明,飞行和月面工作正常,实现了预期的精确变轨,在稳定的中继链路支持下完成了动力下降并开展月面工作,月夜温度采集器和有效载荷均在轨开机并持续获取探测数据.本文利用着陆前后的遥测数据,对接近月面过程中的发动机羽流与月面的相互作用效果、着陆缓冲情况进行了评估,并与嫦娥三号相关数据进行了对比.嫦娥四号着陆器的在轨数据挖掘与分析,可用于进一步完善地面仿真分析模型,优化设计,为月球背面环境的科学研究提供工程技术基础.     

在轨对星球表面遥操作技术现状与展望

在轨对星球表面遥操作技术面向未来星球表面样本收集与分析、设备运输与部署、基础设施建设与维护等日愈增长的复杂任务需求,通过星球轨道载人航天器内的航天员在轨遥操作星球表面的机器人执行作业任务,是推动未来载人登月、月球基地建设和载人火星探测等任务实质进展的关键支撑.本文综述了NASA, ROSCOSMOS, ESA等航天机构围绕在轨对星球表面遥操作开展的Surface Telerobotics, KONTUR, METERON等工程专项和系列在轨技术试验,分析了在轨对星球表面遥操作中的人机交互界面设计、人机工效设计、力反馈和空间通信等关键技术,并结合中国未来深空探测发展趋势和任务需求,提出了利用即将建成的中国空间站开展航天员在轨对地遥操作挖掘安置试验、遥操作建筑3D打印试验等技术试验设想,为中国未来月球基地建设等重大深空任务中在轨对星球表面遥操作技术的研究和试验验证提供参考.     

嫦娥四号冯·卡门撞击坑着陆区地形及月面遮挡分析

嫦娥四号任务实现了人类首次月球背面软着陆.在任务设计阶段,为制定着陆器动力下降控制策略和设计月面工作程序,根据嫦娥二号、LRO等月球卫星探测得到的图像、激光测高等数据,对冯·卡门撞击坑着陆区的高程起伏、坡度、撞击坑和石块分布密度,以及着陆区内地形对光照和中继链路遮挡进行了详细分析.本文对嫦娥四号冯·卡门撞击坑着陆区的地形地貌情况进行了总结,对地形地貌及遮挡分析所使用的方法进行了详细说明,同时将嫦娥四号着陆区同嫦娥三号虹湾着陆区的地形地貌进行了对比分析,最后对实际在轨着陆点进行了精确定位并分析了着陆点周围地形的遮挡情况.所形成的系统性分析方法在轨得到了全面验证,并为后续月球及深空探测软着陆任务奠定了坚实的基础.     

嫦娥二号卫星多目标多任务设计与经验

嫦娥二号卫星在圆满完成后续工程先导技术验证和科学探测任务后,又相继开展了日-地拉格朗日L2点和飞越Toutatis小行星探测,开创了我国多目标探测的先河,开拓了拉格朗日点和小天体新的探测领域.在剖析以往国际上典型多目标多任务探测器特点后,本文紧扣牵引技术发展主题,提出了以系统创新拓展领域,提升能力,带动技术突破和产品发展的思路,设计了在短周期等约束条件下实现多目标探测的策略与步骤;其次针对设定目标任务和推进技术发展的需求,提出了实现更远距离、更多技术验证的高可靠、高精度和自主运行的设计要点,简述了相关技术突破的情况;基于在轨运行表现,分析、汇总嫦娥二号的实现结果和预期改进目标;最后,梳理总结了嫦娥二号在任务设计、技术突破和实施程序与方法等方面的成功创新经验,可供未来任务借鉴.