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.     

天宫一号目标飞行器载人环境设计与实施

基于天宫一号目标飞行器载人环境控制任务的新特点,以航天员的"舒适性"为设计目标,天宫一号进行了大气环境控制设计、噪声控制设计、辐射控制设计以及组合体热支持设计等载人环境设计,将组合体密封舱内的大气总压、温湿度、风速、气体成分、噪声以及辐射水平控制在人体舒适性范围内,天宫一号飞行任务表明,其载人环境系统设计正确,为飞行任务期间航天员的身体健康和工作效率提供有力保障.     

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.     

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.     

天宫一号整体壁板式密封舱结构技术

2011年9月,天宫一号目标飞行器发射升空,于2011年11月、2012年6月和2013年6月与3艘载人飞船完成3次交会对接,航天员两次进入实验舱生活和工作.实验舱是目前国内首个在轨工作2年以上的载人密封舱,该密封舱首次采用整体壁板式结构.本文分析了长寿命载人密封舱结构设计约束条件,通过不同结构形式的比较,提出了密封舱采用整体壁板结构,介绍了壁板结构设计准则和研究内容.该项设计技术的突破为我国未来大型长寿命载人航天器,尤其是载人空间站结构奠定了基础.     

交会对接地面验证技术

本文对交会对接地面仿真验证技术的实现途径进行了总结,着重对我国交会对接地面仿真验证技术发展历程中具有重要代表性的交会对接九自由度半物理仿真验证系统的设计特点进行了介绍,给出了利用该仿真验证系统对我国交会对接技术核心的自控/人控系统设计进行仿真验证的结果,最后对我国交会对接地面仿真验证技术的发展方向进行了展望.     

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.     

交会对接地面验证技术

本文对交会对接地面仿真验证技术的实现途径进行了总结,着重对我国交会对接地面仿真验证技术发展历程中具有重要代表性的交会对接九自由度半物理仿真验证系统的设计特点进行了介绍,给出了利用该仿真验证系统对我国交会对接技术核心的自控/人控系统设计进行仿真验证的结果,最后对我国交会对接地面仿真验证技术的发展方向进行了展望.     

一种环月交会对接航天器的自主导航方法

我国正在进行月球采样返回工程,月球轨道交会对接是采样返回任务中关键环节之一.本文提出了一种新交会过程中目标航天器和追踪航天器自主航方法.该方法综合利用成像敏感器、交会雷达和激光高度计测量信息,结合绝对轨道动力学模型,利用UKF滤波算法设计航滤波器,能够同时估算交会对接过程中追踪航天器和目标航天器绝对轨道参数.在月球阳照区,采用成像敏感器和交会雷达测量信息进行自主航;在月球阴区,则采用交会雷达和激光高度计测量信息进行自主航.通过理论分析和数学仿真,验证了所提出自主航方法有效性.本文所提出方法为月球轨道交会对接工程实现提供了理论参考.     

飞船空间对接机构技术

空间对接是载人航天工程的关键技术,本文讨论了我国神舟对接机构的系统方案,分析了对接捕获和缓冲的动力学设计、机构学设计,以及对接机构连接刚度的保证等方面问题,讨论了对接机构地面试验系统和试验方案,介绍了我国首次空间对接的情况.     

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.     

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.     

基于FLOWMASTER软件的引气系统仿真分析

为准确模拟飞机导管引气系统在各工况下的运行状态,在研究飞机引气系统结构及流体网络算法原理的基础上,基于一维流体仿真技术建立了引气系统计算模型,根据实际工况对系统进行了稳态和瞬态分析。重点考察了系统中各主要元件的运行情况及节点的压力、温度等关键参数的变化规律。仿真结果表明,系统及各主要元件均满足设计与控制要求,可为我国民用客机导管系统的优化设计提供一定的理论参考。     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

利用 CFD技术对管壳式换热器壳程结构的模拟分析

以某公司所制造的水源热泵为基础,针对制冷量 Q0=180kW 的蒸发器的内部结构,利用 CFD技术对其壳程侧做了流场与热场的模拟分析,得到了具有一定价值的分析结果:1)原设计中不仅单弓形折流板的数量较多而且折流板较厚,占用了一定有效换热面积,势必影响了壳程水侧的换热效果和造成了较大压降;2)由于进水管侧的水温与制冷剂的蒸发温度之间存在较大的温差,会在管板上产生较大的热应力,有造成管板与换热管的接触破坏的可能;3)通过对原设计的速度矢量分析,可以较为清楚地看到,原设计存在较多的流动死区,这些流动死区,会影响水侧换热.根据这些分析结果,提出了相应地解决方案,并建立了改进后的蒸发器模型