面向航天器在轨加注的地面模拟技术

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1、航天器环境工程第27卷第2期160SPACECRAFTENVIRONMENTFN(；INEERING2010f}i4门面向航天器在轨加注的地面模拟技术黄奕勇，李强，赵勇，陈小前(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要：文章结合近年来航天器在轨加注的相关研究，着重对其地面模拟试验技术进行了探讨。首先对国外相关地面模拟技术进行了综述，其次对一种新型地面模拟系统进行了详细介绍。该系统由气浮平台、航天器模拟器、光学测量系统、地面控制系统，自主对接和流体加注机构等组成，不仅能演示航天器在轨加注任务的

2、全过程，而且能完整演示自主对接与分离、流体传榆与控制、导引测量与推进等在轨加注关键技术。关键词：在轨加注；航天器；地面模拟中图分类号：V416．5；V526文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)02-0160—04DoI：10．3969，j．issn．1673．1379．2010．02．0071引言航天器尤其是中小型卫星通过接受推进剂在轨加注，能够大大提高轨道机动能力，增强执行任务的灵活性，延长在轨工作寿命【l-3】。正是由于在轨加注巨大的应用前景和重要的战略意义，许多航天大国都相继展开了

3、相关项目的研究。在这些研究当中，地面模拟试验是进行在轨加注技术演示验证的有效手段。利用地面模拟在轨加注可以简化空间特殊环境要求，降低验证各种关键技术的风险与成本，同时有助于操作的实习和培训，因此，国外对地面模拟试验研究一向十分重视，建立了地面模拟试验系统，如美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的MicroSats、美国海军研究生院的自主对接与服务试验系统AUDASS、东京理工大学的DISC等等l铀J。我国的相关研究工作目前尚处于起步阶段，需要充分吸收借鉴国外的先进技术和经验，实现我国航天器在轨加注研究工作的高效

4、发展。本文结合近年来航天器在轨加注方面的研究，对相关的地面模拟技术进行了系统介绍。2国外相关地面模拟技术简介2．1劳伦斯·利弗莫尔国家实验室美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(IINI，)进行了面向在轨服务的自主灵活微小卫星(MicroSats)项目研究【4】。MicroSats质量约几十蚝，能够进行精确自主机动、遥操作在轨服务等任务。其地面模拟系统由航天器模拟器、测控系统、气浮平台等组成。航天模拟器前端安装有由照相机、测距仪、星敏感器和惯性测量单元组成的集成测餐装置，还安装有为满足对接要求的捕获装置。气浮平

5、台分为4自由度和5自由度两种。4自由度气浮装置通过气浮导轨和气浮支撑轴分别提供1个平移自由度和3个转动自由度，5自由度气浮装置通过气浮台和气浮支撑轴(如图l所示)分别提供2个平移自由度和3个转动自由度。试验台尺寸大小为1．5rex7．3m，表面铺设光滑玻璃，便于气浮垫提供无摩擦的2自由度平移运动。(b)图1气浮台(a)与气浮结构装置(b)Fig．1Polishedgranitetestbedanditsfacility收稿日期：2009—09．25；修回日期：2010．03．10作者简介：黄奕勇(1972

6、·)，男，副教授，研究方向为飞行器设计。E-mail：yiyong_h@sina．com．黄奕勇等：面向航天器在轨加注的地面模拟技术161目前，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室已经成功演示了自主获取目标、追踪目标、接近目标等自主交会对接操作以及接近阶段的自主轨道规划、目标捕获、软对接、辅助目标变轨等多项微小卫星在轨服务关键技术。2．2美国海军研究生院美国海军研究生院开展了自主对接和航天器在轨服务项目(AUDASS)【5】，对在轨组装的模块自主接近、对接与重构等关键技术进行了研究，并搭建了地面测试平台对其进行试验

7、和演示验证。试验系统如图2所示。图2AUDASS地面试验测试系统Fig．2AUDASSgroundtestsystemAUDASS试验平台尺寸大小为4．9rex4．3m，调平后平均倾斜角度为0．0026。。表面做光滑处理，与安装于航天器模拟器上的气浮垫配合使用，能够为模拟器提供3自由度运动环境。追踪航天器地面模拟器和目标航天器地面模拟器均采用模块化设计。追踪航天器地面模拟器由4个模块层叠组合而成，从下至上依次为推力和气浮模块、对接机构模块、反作用飞轮模块、惯性测量／电池／控制计算机／图象处理计算机模块。对

8、接机构采用轨道快车项目中使用的三叉式对接机构，对接机构主动件安装于追踪航天器地面模拟器上，被动件安装于目标航天器地面模拟器上。目前，在该试验平台支持下，已经成功进行了航天器模拟器的自主交会对接试验，下一步将继续进行模块的接近、对接、组装集成和组合体运行试验。2．3东京理工学院东京理工学院展开了可重构带臂空间机器人(RBR)的关键技术研究和地面演示试验。地面试验系统命名为DISC，由3个卫星模拟器、1个试验平台以及机械臂系统、测