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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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    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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    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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    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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    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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    星座备份策略研究进展
    王许煜, 胡敏, 赵玉龙, 徐家辉
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 43-55.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0031
    录用日期: 2020-01-20

    摘要117)      PDF(pc) (1857KB)(159)   
    针对星座卫星在轨运行时因操作或故障导致星座服务性能下降的现象,综述了星座备份策略研究的进展。首先,概述了导航星座、通信星座的基本情况和备份现状,归纳出不同星座的备份策略。其次,重点阐述了3种不同的星座备份策略模式,即在轨备份、停泊轨道备份及地面备份,给出了3种备份策略模式的特点。在此基础上,分别从卫星故障模式、卫星可靠性、卫星可用性、星座状态概率和星座系统可用性5个方面梳理了国内外星座备份策略关键因素的研究进展。再次,综述了目前星座备份策略分析的主要模型和方法,包括Petri网、马尔可夫链以及存储论。最后,对未来星座备份策略研究的发展方向进行了展望。
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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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    高轨卫星星载计算机优化设计与实现
    徐楠, 李朝阳, 王兆琦, 韩笑冬, 安卫钰, 王晓宇, 冯彦君
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 94-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0012
    摘要69)      PDF(pc) (1568KB)(148)   
    首先对当前星载计算机系统在高轨卫星领域的应用现状进行了分析,主要涉及处理器最小系统的存储器设计、数据共享及总线协议设计等。针对上述3个方面存在的不足,提出了处理器最小系统存储器优化设计方案,解决了存储器应用与选型的困境;采用“存储器+FPGA电路”的设计方法,实现了主备机数据共享;提出了一种自适应总线协议设计方法,解决了1553B总线协议通用性较差等问题。提出的设计方法,在中国下一代大容量通信卫星平台的星务计算机系统中得以应用,并取得了较好的效果,为星载计算机系统后续优化设计工作提供了新的思路。
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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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    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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    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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    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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    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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    对空间碎片近距随遇悬停的控制方法及悬停燃耗分析
    王灏宇, 侯晓庚
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 27-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0004
    摘要130)      PDF(pc) (3718KB)(108)   
    对空间碎片检视或抓捕操控中的悬停控制及燃耗问题进行了研究。通过CW方程,建立任务星近距随遇定点悬停控制模型,通过设计状态反馈控制器分析定点悬停的可控性以及推控要求,结果表明近距悬停需要与悬停位置相关的两个正交方向上的常值连续推力控制量,以及用于抵抗扰动的三轴向上的反馈变推力控制量。分析了近距随遇悬停的推控分系统配置,建立了长时近距随遇悬停的燃耗及燃耗速率的数学模型,最后分析了既满足安全距离需求、又满足悬停方位需求的最小悬停燃耗模型。
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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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    基于球堆叠的月壤蓄热器传热特性数值研究
    李蒙蒙, 胡定华, 李强
    中国空间科学技术    2020, 40 (1): 37-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0005
    摘要108)      PDF(pc) (4024KB)(98)   
    月壤蓄热是月球原位资源利用的一种重要方式,也是解决未来月球基地能源需求的最具潜力的途径之一。针对月壤蓄热过程,建立了基于球形堆叠的月壤蓄热器多孔介质蓄热模型。蓄热器的壳体采用登月舱下降级的燃料罐,流体传热介质采用氦气。通过数值模拟的方法研究了不同流动压降下月壤蓄热球堆叠方式、球直径对蓄热器传热过程的影响规律和机理,并分析了蓄热动态过程。研究结果表明,月壤蓄热球在简单立方体均匀堆叠(SC)和面中心立方体均匀堆叠(FCC)两种方式下,SC堆叠方式的综合蓄热指数比FCC模式可提高302%;同时还发现月壤蓄热球的直径存在最优值,可使得蓄热器在单位泵功下获得最大的蓄热量,并且该最佳值随着流体进出口压差增加而减小。该研究可为未来月壤蓄热器的设计和优化提供理论指导。
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    变结构航天器模糊神经网络滑模控制器设计
    王冉, 周志成, 曲广吉, 陈余军
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 56-63.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0032
    录用日期: 2020-03-15

    摘要127)      PDF(pc) (3275KB)(96)   
    变结构航天器是目前航天领域的重要发展方向,航天器结构的变化将导致质量分布发生明显变化,这对航天器动力学建模和控制器设计都提出新的问题。针对这种情况,采用混合坐标法和拉格朗日方程建立了航天器刚柔耦合动力学模型,利用几种典型工况的参数近似得到变结构过程中动力学参数的变化规律。设计滑模控制器对航天器变结构过程进行姿态控制,为提高滑模控制器的适应性,设计模糊神经网络(FNN)自适应调节滑模控制器参数,并利用径向基函数(RBF)神经网络逼近动力学模型,得到控制力矩与姿态变化之间的近似关系,用于FNN的优化。通过仿真得到航天器变结构期间无控、滑模控制和模糊神经网络滑模控制的姿态变化,仿真结果对比验证了模糊神经网络滑模控制对于滑模控制的优势,证明了其在变结构航天器姿态控制方面的有效性。
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    静止轨道卫星通信链路的预算与分析
    徐挺, 兰海, 张宏江
    中国空间科学技术    2020, 40 (3): 83-92.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2020.0035
    录用日期: 2020-01-20

    摘要132)      PDF(pc) (3338KB)(93)   
    星地链路计算作为卫星通信的重要技术,是卫星通信系统设计的基础和理论依据,直接决定了卫星通信系统的链路通信质量。由于影响卫星链路的因素很多,设计中存在一处不合理即使得整条星地链路不可用,造成巨大的损失。而且在实际设计中无法做到最理想的链路状态,往往需要在某方面有所取舍,这也是链路计算中的一大难点。基于目前国际通用的链路计算方法,将星地链路上下行拆分,独立计算,综合分析,再结合实际工程经验,分析和计算实际工程案例,针对不同的链路配置给出相应合理的设计方法,可作为静止轨道通信卫星星地链路计算分析的参考。
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    基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法
    唐青原, 王晓磊
    中国空间科学技术    2019, 39 (6): 38-.   DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2019.0048
    摘要95)      PDF(pc) (3716KB)(91)   
    针对火星接近段导航通信时延大、存在通信盲区、自主导航可用观测信息有限等问题,提出了一种基于一组火卫二相对探测器视线矢量测量的天文自主导航算法,每个导航周期测量一组火卫二视线矢量可得到其中某一时刻探测器的完整轨道信息的估计值,该方法不依赖于轨道渐近线方向等先验信息。考虑到存在火卫二和火星在同一视场的情形,此时结合火星中心视线矢量方向以及火卫二的星历信息可估计出精度较高的探测器轨道半径,作为第一种方法的补充观测量,提高导航精度。最后给出仿真校验,验证了该方法的导航精度和可行性,表明该方案能够满足未来火星探测接近段自主导航需求。
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