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    吸气式电推进系统可行条件分析
    杨兆伦, 郭宁, 陈学康, 颜能文, 王聪
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 54-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0007
    摘要338)      PDF(pc) (1591KB)(303)   
    吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件,采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式,讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明,在轨高度180~240km,航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2,电推力器比冲需大于4×104m/s,方可满足推阻平衡需求。分析得出,实现吸气式系统在地球轨道的运用,关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗,同时电推力器的效率还需进一步提升。
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    多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究
    徐影, 张进, 于沫尧, 许丹丹
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 21-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0046
    摘要303)      PDF(pc) (6611KB)(172)   
    针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明:在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。
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    螺旋波电推进羽流电磁矢量控制的原理性验证
    丁亮, 郑慧奇, 彭毓川, 任琼英, 赵华
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 38-43.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0043
    摘要275)      PDF(pc) (10374KB)(142)   
    推进器羽流的电磁矢量控制是基于电磁位形的改变使得喷射的羽流改变方向。为了原理性验证电推进羽流电磁矢量控制技术,针对螺旋波电推进器,开展了磁场位形调制仿真设计和试验验证。说明了电磁矢量调制线圈能够改变磁场位型,并且在试验过程中验证了等离子体羽流随磁场位型变化而产生的羽流方向偏转。在周期性磁场调制过程中,验证了等离子体密度参数随之周期性涨落。螺旋波电推进羽流方向最大偏转角度60°,可控偏转频率15Hz,说明了电推进羽流电磁矢量控制的可行性。
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    场发射电推力器的参数选择与调控方法
    刘子健, 沈岩, 耿金越, 刘旭辉, 秦宇
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 1-10.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0039
    摘要263)      PDF(pc) (5166KB)(216)   
    场发射电推力器具有几种不同的发射模式,分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子,使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用,需要设计不同种类的场发射电推力器,使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析,确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述,并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论,并最终得出推力器性能参数的调控方法,论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响,在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况,而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后,设计了一种主动供给型离子液体电推力器,以离子液体EMIBF4作为推进剂,进行了相应的试验研究。通过改变外加电压,实现了对推力器推力性能的调控,证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN,比冲范围为154~978s。
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    基于低轨移动星座的高速星载路由器设计
    吕原草, 王凤春, 徐楠, 韩笑冬, 冯彦君, 邢川
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 87-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0054
    摘要249)      PDF(pc) (5344KB)(159)   
    随着地面网络流量不断增长,实现星地一体化要求星间网络能够提供基于IP的大流量数据传输。而星载路由器作为连通星间网络的关键设备,其转发速率和服务质量等指标决定了整个星间网络的吞吐量和时效性。考虑到现有星载路由器吞吐量低的现状,提出一种适用于低轨移动通信星座的高速星载路由器设计方案,在基于拓扑快照的路由基础上补充3层动态路由,在保证交换速率的同时减少网络故障导致的丢包,实现“一次路由,多次交换”。采用共享内存式的交换存储单元,利用Spacewire和Serdes高速接口单元,理论上星间数据吞吐量能够达到最高51Gbit/s,且支持IP数据传输,为与地面网络的融合奠定基础。
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    脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究
    杨三祥, 刘超, 王尚民, 冯杰, 陈娟娟, 吴辰宸, 贾艳辉, 郭宁, 耿海
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 11-21.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0040
    摘要209)      PDF(pc) (12440KB)(164)   
    为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识,为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小,系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明,在其他参数不变的情况下,推力器的推力、比冲、元冲量,以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加;同样,增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲;然而,电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加,导致推力器的点火难度也随之增加,因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。
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    高比冲霍尔推力器启动特性研究
    陈杰, 康小录, 赵震, 程佳兵, 梁伟
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 22-28.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0041
    摘要200)      PDF(pc) (4663KB)(141)   
    高比冲霍尔推力器从霍尔推力器研制初期就得到重视,但是与工程应用相关的参数对比、电流变化和振荡特性特的研究较少。通过测量推力器在不同工况下推力大小、电流变化和电流振荡波形,给出了HET80HP高比冲霍尔推力器的性能特点和启动特性。研究结果表明,HET80HP高比冲霍尔推力器相对于传统霍尔推力器,在较大流量和较高放电电压工况下具有更好的性能。冷启动时,正常磁场情况下放电电流存在电流尖峰,并且需要较长的时间才能达到相对稳定。不同磁场位形热启动情况下电流的变化过程表明,电流尖峰是否存在主要与磁场位形有关,启动时温度的高低与电流尖峰是否存在没有明显关系。此外,通过对比不同磁场下推力器比冲和平均频率的变化可知,推力器低频振荡平均频率的高低能够较好地反映推力器比冲的大小。
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    低轨导航增强卫星星座设计
    田野, 张立新, 边朗
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 55-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0050
    摘要191)      PDF(pc) (7032KB)(58)   
    针对目前全球低轨卫星快速发展的现状,对低轨导航增强卫星星座设计方法进行了详细的研究。首先推导了轨道高度与可视球冠的关系,结合太空垃圾分布,从覆盖范围、经济性及碰撞风险几方面联合确定了轨道高度。然后推导了用户仰角与轨道倾角的关系,分析了实现南北极点覆盖的轨道倾角。接着结合铱星星座,推导出单一星座构型无法实现全球范围内均匀的可见星和精度衰减因子(Dilution of Precision,DOP)值分布。最后提出了一种组合低轨卫星星座设计方法。结果表明,该方法设计的组合星座在实现全球覆盖的同时,能够实现可见星数量与DOP值在全球范围内的均匀分布。
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    载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析
    吕鹏伟, 尚志, 王平
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 1-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0001
    摘要190)      PDF(pc) (3881KB)(126)   
    对于载人地月转移任务,应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点,基于载人地月混合轨道,提出了3种一次脉冲的应急返回轨道,即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后,利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性,研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式,总结了3种应急模式的应用特点及优劣,可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。
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    基于DDMZM的星载微波光子混频器设计
    惠金鑫, 赵莹, 邓向科, 郑飞腾, 孙树风
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 36-42.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2020.0030
    录用日期: 2020-02-19

    摘要175)      PDF(pc) (2308KB)(76)   
    微波部件由于分布式参数的影响,存在一定的频率选择性,难以实现宽带多频段兼容的变频系统,已不能满足高通量星载通信载荷的需求。微波光子技术以其大带宽和无频率选择性的优势为高通量天基通信需求的实现提供了可能性。基于双驱动马赫增德尔调制器(DDMZM)对星载通信转发设备混频单元的方案进行探索,通过理论分析链路模型,使用VPI软件对链路进行仿真优化来寻找DDMZM的最佳偏置点。试验结果表明调制器偏置在最小点时,变频效率高,且具有一定的载波抑制功能,可实现宽带、多频段以及抗干扰等性能,优于微波变频性能。
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    基于PID算法的磁选态铯束管C场的优化
    陈是, 王骥, 黄良育, 刘志栋
    中国空间科学技术    2020, 40 (2): 54-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0020
    摘要173)      PDF(pc) (3810KB)(72)   
    介绍了磁选态铯束管的C场优化方法,通过自研的磁选态铯束管测试系统为铯束管提供必要的测试环境,设计不同的PID控制算法对铯束管的C场进行优化与分析,最终得到了合理的优化参数。通过对多只铯束管进行优化,将铯束管的(0~0)峰与±1峰的频率差控制在了42820kHz±20Hz范围之内,并与已有的铯束管测试平台优化结果进行比对,最优C场电流误差不超过002mA,验证了优化结果的正确性。
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    三维规则形貌影响下的二次电子发射特性研究
    张娜, 崔万照, 曹猛, 王瑞, 胡天存
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 1-7.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2020.0025
    录用日期: 2020-03-04

    摘要170)      PDF(pc) (3603KB)(79)   
    通过人工加工出特定的表面形貌来调控材料的二次电子发射特性已在诸多领域得到应用。规则表面形貌易于揭示抑制规律和影响机制对二次电子发射特性的影响,同时采用光刻、等离子刻蚀等工艺可以较好地实现特定设计的规则形貌,因此,在抑制微放电的研究初期或原理性试验验证过程中多采用定制的规则表面形貌。基于提出的电子与表面形貌相互作用的多代模型,以三维圆柱孔为例,采用蒙特卡罗方法系统研究了三维规则表面形貌的深宽比、占空比等参量影响二次电子产额、二次电子能谱以及出射角分布的规律。研究发现:规则形貌的深宽比越大,能谱展宽越强烈,形貌对出射角的选择性越强,二次电子产额的抑制效果越好,但该抑制效果存在饱和效应。在形貌不发生交叠时,增加占空比,可有效降低二次电子产额,由于圆柱孔出射电子占比较少,二次电子能谱与出射角分布接近于平面。所获得的三维规则表面形貌的二次电子发射特性对于全面评估其对微放电效应的影响提供了参考。
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    温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究
    赵震, 程佳兵, 康小录
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 29-37.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0042
    摘要169)      PDF(pc) (6885KB)(64)   
    霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到,并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题,推力器工作时磁路系统受高温影响,因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移,不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响,通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究,并对热态、常温仿真结果进行了对比,发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽,磁场和壁面最大不符合度达到13%,通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果,使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷,热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃,低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点,不会出现磁性能急剧下降,但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。
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    小卫星非常规动力学分析与控制
    白照广, 杨新峰, 崔玉福, 刘质加, 邓卫华
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 1-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0044
    摘要168)      PDF(pc) (2387KB)(137)   
    针对小卫星研制中出现的一些非常规动力学问题进行研究,并提出解决办法。针对小卫星组件最大冲击谱量级超出常规冲击试验规范谱的分析与验证困难,通过研究提出了能够分析评估组件高量级冲击的方法。针对小卫星随机振动下强度设计方法还存在较大误差,分析了系统模态质量比与模态频率在一定频段的影响规律,认为忽略模态质量耦合会带来误差,提出了考虑模态质量耦合的准静态载荷计算方法。最后,针对小卫星整星开展了减振研究,分析了正弦和随机减振效果,对于对称安装减振系统,提出了减振系统的主频率计算公式。
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    一种空间目标高精度指向控制方法
    冯甜甜, 高晶敏
    中国空间科学技术    2020, 40 (2): 1-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0013
    摘要164)      PDF(pc) (3717KB)(133)   
    针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求,研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题,给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先,基于近圆轨道ClohessyWiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息;然后,基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数,并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态,获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角;最后,通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制,实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明,该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制,为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。
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    空心阴极热特性优化研究
    于博, 宋娜, 康小录
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 45-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0006
    摘要160)      PDF(pc) (4056KB)(219)   
    空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源,其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性,对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件,进行反复迭代的方式,计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性,在真空舱内开展阴极的放电试验,利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温,并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明,计算的最大误差在5%以内。在此基础上,考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时,阴极整体热耗散功率会先减小后增大,而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。
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    基于宽带调制信号的无源互调测试研究
    李砚平, 黄浩, 贺捷
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 13-18.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2020.0027
    录用日期: 2020-02-17

    摘要158)      PDF(pc) (1204KB)(81)   
    随着收发共用和数字调制技术(如BPSK、QPSK)在卫星通信中大量使用,原有的连续波(continous wave,CW)无源互调(passive intermodulation,PIM)测试系统存在验证不充分的问题。设计了宽带调制信号PIM测试方法改进了原有的测试系统,通过采用通道功率测试PIM,测试研究结果表明BPSK、QPSK数字调制无源互调量值均高于连续载波信号2~9dB,考虑到卫星运行可靠性,采用数字调制宽带工作模式改进原有测试系统后更接近实际工作方式,提高了地面验证可靠性。
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    GEO卫星快速发射入轨定点控制方法
    陈记争, 孙松涛, 冯刚, 肖余之
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 47-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0049
    摘要157)      PDF(pc) (6501KB)(111)   
    提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法,运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后,由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束,在选定变轨策略基础上,以燃料消耗最小为目标,优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动,基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法,控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明,采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律,可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。
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    星载L波段宽带低噪声放大器芯片设计
    赵博超, 徐辉, 殷盼, 贺娟, 张大为, 徐鑫
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 19-24.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2020.0028
    录用日期: 2020-03-04

    摘要152)      PDF(pc) (4040KB)(102)   
    基于0.25μm 砷化镓赝品高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)工艺,设计了一款应用于星载微波接收机的L波段单片微波集成电路(MMIC)低噪声放大器(LNA)。该低噪声放大器采用电流复用拓扑结构,降低了芯片的工作电流,节省了宝贵的卫星能量资源;通过两级负反馈方式优化了器件的稳定性和增益平坦度,提高了卫星通信质量;恒流源的偏置结构使得工作电流随工艺波动较小,芯片维持在稳定的工作状态下。测试结果表明:该放大器工作电流为35mA,在频率范围0.9~1.8GHz内,增益大于33dB,噪声系数小于0.6dB,增益平坦度小于0.5dB;芯片尺寸为2.0mm×1.3mm,满足航天产品的高性能小型化应用需求。
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    基于BP神经网络技术的电离层VTEC融合
    郭承军, 庞国强
    中国空间科学技术    2020, 40 (4): 78-83.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0048
    摘要147)      PDF(pc) (3366KB)(42)   
    随着电离层探测技术的不断发展,电离层观测资料也越来越多,只使用单一的观测资料会出现电离层反演精度不高的问题。为了提高电离层的反演精度,使用BP神经网络技术将地基反演和国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型的垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)数据进行有效融合。在温带地区\[35°(N)~45°(N),60°(E)~80°(E)\]进行电离层反演试验,结果表明基于BP神经网络技术的电离层数据融合和地基反演获得的电离层VTEC精度都比较高,但是基于BP神经网络的电离层数据融合反演精度比地基反演更高,所以基于BP神经网络技术的数据融合能够提高电离层的反演精度。
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