北京空间飞行器总体设计部开放课题
空间飞行器对接过程的动力学建模和仿真计算
Numerical Simulation of Spacecraft Docking Dynamics in the Process of Capture 作者： 王传东 [1] 水小平 [1] 杨雷 [2]
作者机构： 北京理工大学,力学系,北京,100081[1] 北京空间飞行器总体设计部,北
京,100086[2]
出版物刊名： 长沙大学学报
页码： 8-12页
主题词： 对接 缓冲系统 作用力
摘要：建立了有内导向瓣周边式对接机构的两空间飞行器对接过程的动力学模型,建模中将对接系统简化为主动飞行器、被动飞行器和主动捕获环三体问题.针对主动捕获环相对于整个飞行器来说质量很小的特点,建模过程中不考虑主动捕获环的质量和转动惯量,只考虑其几何形状特性,利用约束方程确定接触点作用力,通过计算得到了对接机构的相对位移、速度和转角,以及缓冲系统的位移、转角和相互作用力等参数,从而较全面地了解对接动力学过程,对缓冲系统和对接机构的设计具有重要的参考价值.。
211014273_巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究
㊀第３２卷㊀第１期２０２３年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀V o l．３２㊀N o．１㊀㊀㊀㊀１巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究李宗凌１,２㊀宋桂萍２㊀汪路元２㊀于登云３(１北京理工大学信息与电子学院,北京㊀１０００８１)(２北京空间飞行器总体设计部,北京㊀１０００９４)(３中国航天科技集团有限公司,北京㊀１０００４８)摘㊀要㊀针对未来万颗规模巨型星座资源管理㊁互联互通㊁即时协同㊁自主运控和安全可信等共性基础功能需求,提出一种基于操作系统实现上述功能需求和构建巨型星座信息基座的技术方法,满足天基系统前向兼容和持续扩展需求.通过研究体系架构㊁高效内核㊁融合组网㊁安全可信㊁生态体系等巨型星座高效管理及智能应用关键技术,为构建面向巨型星座复杂应用场景的统一基础软件平台巨型星座操作系统提供解决思路以及发展建议,将支撑我国卫星互联网等大规模星座高效建设及能力快速形成.关键词㊀巨型星座;高效管理;智能应用;操作系统中图分类号:V４１㊀㊀文献标志码:A㊀㊀D O I:１０ ３９６９/j i s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２３ ０１ ００１R e s e a r c ho nK e y T e c h n o l o g i e s o fH i g hE f f i c i e n c y M a n a g e m e n t a n dI n t e l l i g e n tA p p l i c a t i o n f o rM e g aＧc o n s t e l l a t i o nL I Z o n g l i n g１,２㊀S O N G G u i p i n g２㊀WA N GL u y u a n２㊀Y U D e n g y u n３(１S c h o o l o f I n f o r m a t i o na n dE l e c t r o n i c s,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,B e i j i n g１０００８１,C h i n a)(２B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g,B e i j i n g１０００９４,C h i n a)(３C h i n aA e r o s p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n,B e i j i n g１０００４８,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h e c o mm o nb a s i c f u n c t i o n s s u c ha s r e s o u r c em a n a g e m e n t,i n t e r c o n n e c t i o n, r e a lＧt i m e c o l l a b o r a t i o n,a u t o n o m o u s o p e r a t i o n c o n t r o l,s e c u r i t y a n d t r u s t w o r t h i n e s s o f t e n t h o uＧs a n dm e g aＧc o n s t e l l a t i o n i n t h e f u t u r e,a t e c h n i c a lm e t h o d t o r e a l i z e t h e a b o v e c o mm o nb a s i c f u n cＧt i o n s a n db u i l d t h em e g aＧc o n s t e l l a t i o no p e r a t i n g s y s t e mi s p r o p o s e d t om e e t t h e r e q u i r e m e n t so f f o r w a r d c o m p a t i b i l i t y a n d c o n t i n u o u s e x p a n s i o no f s p a c eＧb a s e d s y s t e m s．T h r o u g h t h e r e s e a r c ho n t h e s p a c e a r c h i t e c t u r e,e f f i c i e n t k e r n e l,i n t e g r a t e d n e t w o r k i n g,s e c u r i t y a n d c r e d i b i l i t y, e c o s y s t e ma n do t h e r k e y t e c h n o l o g i e s f o r e f f i c i e n tm a n a g e m e n t a n d i n t e l l i g e n t a p p l i c a t i o no f t h e m e g aＧc o n s t e l l a t i o n,s o l u t i o n s a n dd e v e l o p m e n t a r e p r o v i d e d s u g g e s t i o n s f o r t h e c o n s t r u c t i o no f a u n i f i e d b a s i c s o f t w a r e p l a t f o r mf o r c o m p l e x a p p l i c a t i o n s c e n a r i o s o f t h em e g aＧc o n s t e l l a t i o n,w h i c h w i l l s u p p o r tt h ee f f i c i e n tc o n s t r u c t i o no f m e g aＧc o n s t e l l a t i o n ss u c ha st h es a t e l l i t eI n t e r n e ti n C h i n a a n d t h e r a p i d f o r m a t i o no f c a p a b i l i t i e s．K e y w o r d s:m e g aＧc o n s t e l l a t i o n;h i g h e f f i c i e n c y m a n a g e m e n t;i n t e l l i g e n t a p p l i c a t i o n;o p e r a t i n g s y s t e m收稿日期:２０２２Ｇ１１Ｇ１１;修回日期:２０２３Ｇ０２Ｇ０７基金项目:国家自然科学基金(９１４３８２０３;３１７２７９０１)作者简介:李宗凌,男,博士研究生,研究员,研究方向为图像目标检测识别㊁星载计算机设计㊁高速雷达信号处理等.E m a i l:L e e z l０５１９＠１６３．c o m.Copyright©博看网. All Rights Reserved.㊀㊀万颗规模以上卫星节点构成的巨型星座是天基系统未来发展方向,应用领域涵盖通信㊁导航㊁遥感㊁深空探测等,拥有巨量传感器㊁计算㊁存储和通信等资源,可提供广域时空覆盖㊁精准特性感知㊁高效信息获取和全域互联互通等能力[１].各国争相开始大规模网络化星座建设,掀起一股浪潮.２０１８年４月,美国国防部先进研究项目(D e f e n s e A d v a n c e d R e s e a r c h P r o j e c t s A g e n c y, D A R P A)开始实施黑杰克(B l a c k j a c k)计划,寻求研发具有较低尺寸㊁质量㊁功耗及成本特征的低轨军事通信与监视卫星,包括低成本卫星有效载荷和商业化卫星平台.为降低集成风险,B l a c k j a c k计划将为每个航天器开发一个名为 赌场指挥官 (P i tB o s s)的航天电子单元,实现星座自主管控,灵活快速地对信息进行收集㊁处理和分配,实现多源信息的处理㊁预测与分析.２０１９年３月,美国防部成立太空发展局(S p a c e D e v e l o p m e n tA g e n c y,S D A),提出国防太空体系(N a t i o n a l D e f e n s e S p a c eA r c h i t e c t u r e,N D S A)七层架构,利用低轨大规模星座㊁人工智能㊁操作系统等先进技术构建 全域感知目指,云端智能服务 的天基网云体系[２].随着大规模星座建设推进,大量航天器进入太空,星座节点的高效管理及智能应用非常急迫,成为业内研究热点.本文围绕巨型星座高效管理及智能应用需求,提炼巨型星座核心共性基础功能,研究其中关键技术.通过操作系统这一技术手段,研制面向巨型星座复杂应用场景的巨型星座操作系统,作为上述巨型星座核心共性基础功能的软件载体,构建巨型星座的统一基础软件平台和信息基座,有效支撑巨型星座高效建设及能力快速形成.１㊀问题提出近年来,以星链㊁一网为代表的大规模星座网络已展开建设并初步形成能力[３].截至２０２２年１０月,S p a c e X公司已累计发射３５５８颗星链卫星,具备全球通信能力.大规模星座的快速部署可以更好满足我国发展经济㊁服务大众民生的需求,也是我国占据空间轨位和频率资源的必然要求,已经上升为国家战略,并被纳入 新基建 .巨型星座资源管理㊁互联互通㊁协同应用㊁自主运控和安全可信等作为巨型星座系统核心共性基础功能及应用需求[４],是实现巨型星座高效管理及智能应用的关键难点.操作系统是管理硬件与软件资源的基础软件,发展至今,精准匹配应用需求是发展的主流路线,新场景的出现都会催生出新的领域操作系统.因此,巨型星座场景必然会有相应的操作系统作为核心基础设施支撑应用,发挥其体系效能.虽然全球大规模星座已开展建设,但是巨型星座操作系统研究还处于起步阶段,基本采用在单星操作系统上改进或针对具体场景定制应用软件的技术途径,无法满足巨型星座复杂场景下互联互通㊁灵活组网㊁资源共享㊁软件定义复杂应用㊁安全可信等全新应用需求.当前星载操作系统主要分为单星操作系统及星座操作系统两类.单星操作系统以轻量化㊁强实时㊁高可靠为基本需求,完成系统任务管理调度㊁任务间通信㊁内存管理等功能,支撑实现星务管理㊁平台姿态和载荷控制等基础功能,包含V x w o r k s㊁L i n u x㊁R T E M S㊁μC/O SＧI I㊁e C O S等典型操作系统[５].星座操作系统在单星操作系统基础上,需要具备星座节点管控㊁互联互通㊁智能协同以及安全可信等增量功能[６].美国S p a c e X公司的星链卫星装载了带有自定义补丁和驱动程序的L i n u x操作系统,通过这种改进版分布式L i n u x实时操作系统与硬件交互,满足卫星互联网应用需求[７].美国D A R P A推出的B l a c kＧj a c k项目通过P i tB o s s实现星座管理㊁节点互联互通㊁智能协同以及信息安全等应用需求,其中的核心技术之一为智能操作系统[８].操作系统软件在各类计算机应用中的核心地位,其设计已经得到国际学术界的广泛重视,取得很大进展.但是,巨型星座场景下操作系统的研究总体来说仍然处于探索阶段,尚面临很多挑战.对于巨型星座信息系统构建及应用,传统面向具体场景通过星座管控组网㊁天基传感器管理调度㊁星座天地一体测运控㊁星座信息安全㊁在轨多源数据智能解译等 一事一议 定制改进的设计方法,没有构建统一的基础软件平台,难以形成有效的知识积累㊁软硬件生态㊁标准化货架产品以及提升巨型星座建设和应用效率.２㊀关键技术及解决思路针对巨型星座复杂应用场景,构建巨型星座信息基座 巨型星座操作系统,本文对巨型星座操作系统研制时涉及的体系架构㊁高效内核㊁融合组网㊁安全可信㊁生态体系等关键技术进行梳理分析,并提供初步的解决思路.２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright©博看网. All Rights Reserved.２ １㊀体系架构关键技术架构定义涵盖需求㊁层次结构㊁功能结构㊁层间接口㊁内核架构㊁协议架构㊁安全架构等内容,是实现巨型星座操作系统研制的核心基础和难点.采用系统工程㊁多级分层软硬件抽象和接口标准化方法,对巨型星座系统进行建模,模型如图１所示,主要包含海量硬件资源㊁操作系统内核㊁操作系统应用框架以及巨量应用软件等层次架构.㊀注:S D K 为软件开发工具包;D S P 为数字信号处理器;F P G A 为现场可编程门阵列;S P A R C 为可扩充处理器架构;R I S C ＧV 为第五代精简指令集计算架构;A R M 为精简指令集计算架构微处理器.图１㊀巨型星座管理及应用模型F i g １㊀M a n a g e m e n t a n da p p l i c a t i o nm o d e l o fm e ga Ｇc o n s t e l l a t i o n ㊀㊀海量硬件资源主要由C P U ㊁A R M ㊁F P G A ㊁D S P ㊁X P U 等处理器构成,各处理器间基于分布式软总线,利用消息模式进行信息交互和任务协同,主要完成巨型星座系统中数据级处理.内核主要完成海量硬件㊁软件资源抽象管理和高效调度,包含系统软件安全实时内核以及系统服务功能模块.采用功能最小化设计原则,为上层运行的操作系统服务提供基础抽象,但不实现具体提供给应用程序使用的功能,主要完成巨型星座系统中信息级处理.应用框架是便于操作系统服务通信㊁导航㊁遥感等多类型空间任务设定,采用模块化㊁定制化设计,具备规模可伸缩和功能可裁剪特点,包含用户分级服务㊁资源库管理㊁知识库管理㊁任务协同以及平台运控等功能模块,主要完成巨型星座系统中任务级处理.应用软件是操作系统通过软件定义卫星功能的核心,通过不断丰富㊁改进星载软件和算法,将卫星平台和有效载荷的功能尽可能地迁移到计算平台之上,改用软件实现.通过软件和算法的快速迭代和演化,实现卫星产品的持续演进,主要完成巨型星座系统中服务级处理.综上,根据巨型星座核心共性基础功能和后续持续演化需求,精细定义每个层次的功能,在不影响其他层次的前提下,根据技术的进步或需求的变化,自由地替换某一层次的具体实现方式,实现快速高效的功能重构和升级.２ ２㊀高效内核关键技术内核是巨型星座操作系统的基础,对下管控硬件,对上提供抽象,负责资源管理与任务调度.面向巨型星座复杂应用场景,巨型星座操作系统内核需要满足轻量化㊁低时延及强容错等需求.面向不同的应用场景,操作系统种类很多㊁功能丰富各异,按内核结构主要分为宏内核结构操作系统㊁简要结构操作系统㊁外核结构操作系统㊁微内核结构操作系统[９].操作系统内核典型架构频谱如图２所示,架构详细介绍如下.简要结构操作系统:该结构将应用程序与操作系统运行在相同的特权级别和同一个地址空间中,３㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李宗凌等:巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.主要面向不支持地址空间隔离或特权隔离等功能的嵌入式设备以及仅需要运行单个程序的简单场景.这种结构的一个优势是应用程序和操作系统之间的交互简单且快速.但也正因如此,应用程序中的错误可能直接导致整个系统崩溃.该操作系统结构缺乏可持续演进能力,在面向异构星载硬件资源等方面扩展能力较差.外核结构操作系统:外核结构通过将硬件抽象封装到与应用程序直接链接的库操作系统中,而库操作系统是应用程序开发人员自主配置或者自行开发的.在运行时,库操作系统和应用程序运行在同一个地址空间并运行在用户态,外核不提供具体抽象而仅负责保证多个应用程序能够安全且高效地共享硬件资源.但是,在面向复杂场景,库操作系统将会变得非常复杂,甚至相当于一个完整的宏内核,从而丧失外核架构本身的优势.图２㊀操作系统内核典型架构频谱F i g ２㊀S p e c t r u mo f t y pi c a l a r c h i t e c t u r e o f o p e r a t i n g s ys t e mk e r n e l 宏内核结构操作系统:整个操作系统都运行在内核态且属于同一地址空间.操作系统中所有的模块组件,如文件系统㊁网络栈㊁硬件驱动㊁进程管理等,都运行在具有特权的内核态.宏内核结构操作系统的一个显著优势为拥有良好的生态.不过,宏内核结构操作系统架构缺乏系统隔离㊁在安全和可靠方面存在不足,难以使用形式化方法进行验证.微内核结构操作系统:微内核结构操作系统包括运行在内核态的微核和运行在用户态的若干操作系统功能模块,比如文件系统㊁网络协议栈㊁硬件驱动等.微核本身代码量很少,主要包括支撑上层系统服务运行㊁提供不同系统服务之间通信能力等必要机制;不同系统服务运行在用户态及不同的地址空间中,彼此隔离.通过微核提供的通信能力进行交互协同,从而为应用程序提供服务.微内核结构操作系统的架构优势在于拥有更好的容错性和安全性,保证不同系统服务之间的隔离,即使某个系统服务出现故障或受到安全攻击,也不会直接导致整个操作系统崩溃或被攻破.此外,微内核结构操作系统比较方便为不同场景定制不同的系统服务,从而更好适应不同应用需求.综上,围绕巨型星座任务需求,选用全自主研发微内核结构操作系统的技术路线,在轻量化㊁可控时延㊁运行效率㊁可靠性㊁安全性㊁扩展性以及自主软件生态构建等方面优势明显,满足巨型星座复杂应用场景需求.２ ３㊀融合组网关键技术节点间互联互通㊁灵活组网是实现巨型星座高效管理及智能应用的基础.巨型星座场景下,空间网络具有网络复杂㊁规模巨大㊁高动态拓扑㊁故障难以预测等特点,为网络的实时性和可靠性带来了挑战[９].因此,需要结合操作系统对整个网络进行优化设计.采用S D N (软件定义网络)作为基本技术路线,采用分级管控与分域管控两大技术路线来实现.分级管控是提升网络对单个网络的可管控规模,分域管控则是将大网划分为可相对独立管控的小网,两条路线结合,可以实现对万颗规模以上卫星实时㊁高效㊁优化㊁鲁棒的管控,如图３所示.图３㊀高效网络管控架构F i g ３㊀E f f i c i e n t n e t w o r km a n a ge m e n t a n d c o n t r o l a r c h i t e c t u r e首先,分域管控是将万颗规模以上卫星划分为多个相对独立的㊁较小的网络域,对每个独立的网络域进行分而治之,不同网络域之间内部信息互不干扰,只提供抽象层面的路由与协作接口,可以以指数级的速度降低卫星节点规模对于网络整体管控的可４㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright ©博看网. All Rights Reserved.扩展性压力.面向万颗规模以上卫星节点的管控需求,卫星网络基于星座功能和轨道特征两种规则进行划分.首先,将卫星网络按照功能划分为多个星座,如遥感星座㊁通信星座㊁气象星座㊁导航星座等;基于上述划分,针对规模比较大的星座进一步划分为规模更小的网域,按照相对稳定的组网结构进行划分,比如一个轨道面的卫星划分为一个网域.一般情况下,一个网域的规模不超过２００个节点.其次,针对海量节点导致的软件定义网络(S D N)控制平面扩展性不足的问题,采用分布式多控制器协同控制卫星网络.将地面控制器分为中心控制节点和分布式控制节点:中心控制节点由控制器集群构成,提供全网拓扑和路由转发策略的统一获取和管理,实现全局流量调度和网络优化;分布式控制节点采用分布式部署,负责部分天基网络节点的管控,处理不需要进行全局决策的网络控制请求,能够有效降低网络操作的响应时延,避免不必要的长距离传输[１０].㊀㊀综上,构建巨型星座操作系统作为天基网络组网㊁调度㊁控制及管理的核心,满足天基网络节点㊁路由转发策略的高效协同管控.２ ４㊀安全可信关键技术操作系统作为巨型星座的核心基础设施,其可信与安全是空间数据资产安全的基础.巨型星座的组网方式决定了其节点在空间领域呈现分布式的特点.因此,操作系统的技术架构亟需完成由集中式向分布式转变.同时,考虑星上的实际处理能力,卫星节点间需要相互合作,保证在有效控制和管理自身计算㊁存储及网络资源的同时完成指定任务.如图４所示,操作系统采用一种基于分布式基础架构和计算方式的区块链技术,保证数据传输和访问全链路安全的 云Ｇ边Ｇ端 可信与安全架构.图４㊀ 云Ｇ边Ｇ端 分布式安全可信体系F i g ４㊀C l o u dＧe d g eＧe n dd i s t r i b u t e d s e c u r i t y a n d c r e d i b i l i t y s y s t e m㊀㊀根据巨型星座操作系统中不同节点所控制资源的不同和具体的功能需求[１１],对 云Ｇ边Ｇ端 分布式协同可信与安全架构作出以下定义.核心云节点:将控制关键存储㊁计算和网络资源的卫星作为核心云节点.核心云节点负责数据的全量存储,记录完整的区块链账本,提供核心共识机制和核心网络的接入,并结合 数据链＋日志链 的双链结构,保障操作系统数据可信.边缘云节点:从核心云节点向边缘扩展资源的卫星.边缘云节点按需获取核心云节点资源,并且仅缓存核心云分配的部分数据,采用基于区块链的多副本机制保证拜占庭容错下边缘缓存数据之间的数据一致性,同时为终端提供低延时的访问服务.终端节点:单星节点㊁移动设备等终端设备.无需缓存完整数据,仅储存重要的区块头等信息,收集环境中的数据,可以向边缘云节点请求计算和网络通信服务.云Ｇ边Ｇ端 分布式协同可信与安全架构:根据５㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李宗凌等:巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究Copyright©博看网. All Rights Reserved.卫星节点在外太空领域呈现分布式特点,结合区块链技术构建 核心云Ｇ边缘云Ｇ终端 的可信与安全架构,即 云Ｇ边Ｇ端 分布式协同可信与安全架构,应用于操作系统中.核心云节点之间组网连通组成核心网络,边缘云节点可以和其他的边缘网络的节点进行跨边缘网络协作,二者通过横向和纵向的协同融合为终端提供多样计算和低延迟服务.综上,围绕巨型星座多星协同㊁动态管控㊁攻击防范等核心需求,基于区块链技术构建去中心化㊁ 云Ｇ边Ｇ端 分布式协同可信与安全架构,形成巨型星座操作系统安全可信基座,运行保障巨型星座安全.２ ５㊀生态体系关键技术开源已成为一种软件科技创新的主流模式,包括人工智能㊁区块链等前沿I T技术几乎都通过开源模式得以快速发展,实现技术创新突破和产业生态发展.一方面,通过开源可以以更高的效率汇聚更多志同道合的 创客 ,参与到新技术的革新和孕育之中,以寻求实现技术突破;另一方面,通过开源可以以更低的成本吸引更多的 新潮 用户,参与到新产品的成熟和传播之中,以寻求迅速从边缘低端产品变成主流高端产品.巨型星座操作系统是一个新场景㊁新领域,如何实现快速发展仅仅靠一家单位是难以实现快速突破,需要汲取大规模群体智慧的力量,将核心开发者㊁各类厂商㊁科研机构㊁志愿者等广泛联接起来,开展探索创新.围绕巨型星座操作系统的协同研发场景㊁测试和部署需求㊁应用构建特点等,构建一套面向通用领域的基础平台,需要突破适用于巨型星座操作系统大规模分布式协同研发需求的代码协作㊁任务协作和文档协作等技术,研究针对巨型星座操作系统持续演化需求的质量管理㊁持续集成㊁克隆检测技术等,并在基础平台之上做进一步的定制化开发,构造针对巨型星座操作系统的开发与演化支撑环境.综上,通过巨型星座操作系统,促成星载硬件标准化㊁模块化,满足星载软硬件标准化设计和硬件资源虚拟化管理;促成软件构件化,提升软件复用度和继承性,减少二次开发,为形成软件生态奠定基础.３㊀发展建议以规模巨大㊁泛在物联㊁组网协同㊁敏捷重构㊁智能自主㊁弹性健壮等为基本特征的巨型星座已成为构建新型天基能力的重要支撑,引起全球各国高度重视,并争相开展大规模星座系统的建设.国外面向巨型星座场景的操作系统已开展研究,部分成果已走向工程应用.我国已开展大规模星座的论证或建设,而现有星载操作系统只能支撑单星应用,无法满足巨型星座复杂应用场景的需求,应从以下几方面加强研究.３ １㊀强化巨型星座体系架构顶层设计和规划我国已开始建设部署卫星互联网等大规模卫星星座,强化巨型星座体系架构顶层设计与规划,提升巨型星座的高效管理与智能应用能力,支持巨型星座网络化㊁云化㊁智能化以及用户无感的高效运行,将促进巨型星座体系效能的整体性跃升.调研我国现有和规划的天基资源,并结合典型应用样式,应用体系工程设计方法研究建立未来巨型星座资源应用需求与体系架构,优化体系结构㊁增强功能性能㊁强化综合效能,实现需求到操作系统架构的映射连接,为我国自主开发巨型星座操作系统提供需求输入.３ ２㊀打造巨型星座系统核心基础设施和信息基座操作系统作为巨型星座的核心基础设施和信息基座,将星座的各节点资源进行虚拟化连接和融合,是实现巨型星座网络化㊁云化和智能化的星上基础软件,负责支持大规模星座资源管理㊁互联互通㊁自主运控和安全可信等核心基础功能.结合巨型星座任务需求,巨型星座操作系统采用自研微内核进行全自主研发的技术路线,满足核心基础设施必须自主可控㊁安全可信的国家战略需求.而且,不需要背负L i n u x等成熟开源操作系统沉重的历史包袱,在轻量化㊁可控时延㊁高可靠性㊁自主可控方面具有强优势.与此同时,操作系统应用成功的关键在于建立完整的生态,自研操作系统将掌握构建生态的主动权,形成面向航天领域的自主可控开源软件生态.３ ３㊀建立自主可控的航天软件生态体系现有星载操作系统主要基于行业成熟或开源操作系统进行功能定制开发,安全可信㊁自主可控等方面难以保障,且只支持单星数据管理或平台控制等基础功能,无法满足巨型星座场景下全动态自主管控㊁互联互通㊁灵活组网㊁资源共享㊁智能协同㊁软件定义复杂应用等全新需求.未来,通过巨型星座操作系统赋能,支撑实现巨型星座高效管理及智能应用,形成开放包容㊁自主可控的航天软件生态体系㊁万颗规模卫星的互联互通６㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright©博看网. All Rights Reserved.和自主运控㊁千颗规模卫星任务即时协同㊁巨型星座全链路安全可信等新质能力,显著提升我国航天装备研制效率和天基系统体系效能.４㊀结束语本文提出了一种面向巨型星座复杂应用场景的操作系统构想,梳理了体系架构㊁高效内核㊁融合组网㊁安全可信㊁生态体系等关键技术,支持实现巨型星座高效管理及智能应用.既可作为单星基础软件,支持单节点资源高效管理和任务即时调度;也可作为巨型星座基础软件,支持海量硬件资源融合管理,形成云服务能力.巨型星座操作系统向下管理和驱动海量异构感知㊁计算㊁存储㊁网络和安全等基础硬件资源,即时聚合㊁关联㊁调配㊁迁移软硬件资源,管理任务;向上支持巨量航天A p p,为软件赋能航天装备提供统一㊁标准㊁安全㊁可靠的运行环境和接口,形成快速有弹性的软件能力.通过即时聚合㊁关联㊁调配和迁移软硬件资源,完成任务高效协同,为新技术通过软件定义的技术手段快速转化为新战力提供统一基础软件平台.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]李峰,禹航,丁睿,等．我国空间互联网星座系统发展战略研究[J]．中国工程科学,２０２１,２３(４):１３７Ｇ１４４L i F e n g,Y uH a n g,D i n g R u i,e t a l．D e v e l o p m e n t s t r a tＧe g y o f s p a c e i n t e r n e t c o n s t e l l a t i o ns y s t e mi nC h i n a[J]．S t r a t e g i c S t u d y o f C A E,２０２１,２３(４):１３７Ｇ１４４(i nC h iＧn e s e)[２]P a t e lH a r i n k u m a r,M a y n a r dI a n,R a n aL o v e n e e s h,e t a l．S t r a t e g i c f o r e c a s t i n g t o w a r d a c h i e v i n g d e f e n s i b l e s p a c e a r c h i t e c t u r e b y Y e a r２０３０[J]．J o u r n a l o f s p a c e c r a f t a n d r o c k e t s,２０２２,２９(５):１Ｇ１０[３]吴树范,王伟,温济帆,等．低轨互联网星座发展研究综述[J/O L]．北京航空航天大学学报．[２０２２Ｇ０８Ｇ１９]．h tＧt p s://k n s．c n k i．n e t/k c m s/d e t a i l/１１．２６２５．v．２０２２０８１８．１４３８．００１．h t m lW uS h u f a n,W a n g W e i,W e nJ i f a n,e t a l．Ar e v i e wo n d e v e l o p m e n to f L E O I n t e r n e t c o n s t e l l a t i o n[J/O L]．J o u r n a l o fB e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r oＧn a u t i c s．[２０２２Ｇ０８Ｇ１９]．h t t p s://k n s．c n k i．n e t/k c m s/ d e t a i l/１１．２６２５．v．２０２２０８１８．１４３８．００１．h t m l(i nC h i n e s e) [４]张更新,王运峰,丁晓进,等．卫星互联网若干关键技术研究[J]．通信学报,２０２１,４２(８):１Ｇ１４Z h a n g G e n g x i n,W a n g Y u n f e n g,D i n g X i a o j i n,e ta l．R e s e a r c ho n s e v e r a l k e y t e c h n o l o g i e s o f s a t e l l i t e I n t e r n e t [J]．J o u r n a lo n C o mm u n i c a t i o n s,２０２１,４２(８):１Ｇ１４(i nC h i n e s e)[５]K i m B e o m s i k,Y a n g H o e s e o k．R e l i a b i l i t y o p t i m i z a t i o n o f r e a lＧt i m es a t e l l i t ee m b e d d e ds y s t e m u n d e r t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n s[J]．I E E E A C C E S S,２０２０,８(１２):２２４５４９Ｇ２２４５６４[６]W a n g P e n g f e i,D i a oX i u h u i．B e i d o uG P SS I N Ss a t e l l i t e p o s i t i o n i n g s y s t e mb a s e d o n e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m [J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fE m b e d d e dS y s t e m s,２０２２,１５(３):２５９Ｇ２６９．[７]M a d d e n M i c h a e l．C h a l l e n g e su s i n g t h eL i n u xn e t w o r k s t a c k f o rr e a lＧt i m ec o mm u n i c a t i o n[C]//P r o c e e d i n g so f A I A AS c i t e c hF o r u m,W a s h i n g t o nD．C．:A I A A,２０１９[８]陈海波,夏虞斌．现代操作系统原理与实现[M]．北京:机械工业出版社,２０２０:２７Ｇ３９C h e n g H a i b o,X i a Y u b i n．M o d e r n o p e r a t i n g s y s t e m s p r i n c i p l e a n d i m p l e m e n t a t i o n[M]．B e i j i n g:C h i n a M a c h i n eP r e s s,２０２０:２７Ｇ３９(i nC h i n e s e) [９]胡旖旎,钟江山,魏晨曦,等．美国 下一代太空体系架构 分析[J]．航天器工程,２０２１,３０(２):１０８Ｇ１１７HU Y i n i,Z h o n g J i a n g s h a n,W e i C h e n g x i,e t a l．A n a l y s i so fU Sn e x t g e n e r a t i o ns p a c ea r c h i t e c t u r e[J]．S p a c e c r a f tE n g i n e e r i n g,２０２１,３０(２):１０８Ｇ１１７(i nC h iＧn e s e)[１０]I s r a e lL e y v a M a y o r g a,B e a t r i zS o r e t,P e t a rP o p o v s k i．I n t e rＧp l a n ei n t e rＧs a t e l l i t ec o n n e c t i v i t y i n d e n s e L E Oc o n s t e l l a t i o n s[J]．I E E E T r a n s a c t i o n s o n W i r e l e s sC o mm u n i c a t i o n s,２０２１,２０(６):３４３０Ｇ３４４３[１１]张颖浩,刘肖凡．卫星广播网络环境下区块链协议的初步研究[J]．西安电子科技大学学报,２０２０,４７(５):１１Ｇ１８Z h a n g Y i n g h a o,L i uX i a o f a n．P r e l i m i n a r y r e s e a r c ho nt h eb l o c kＧc h a i n p r o t o c o l i ns a t e l l i t eb r o a d c a s t i n g n e tＧw o r ke n v i r o n m e n t[J]．J o u r n a lo fX i d i a n U n i v e r s i t y,２０２０,４７(５):１１Ｇ１８(i nC h i n e s e)(编辑:张小琳)７㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李宗凌等:巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究Copyright©博看网. 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紧缩场静区测试方法及相关测试技术
收稿日期：2017-02-16；修回日期：2017-03-20，第一作者姓名：张晓平，E:\TJY\2018 年第 3 期\1 编\张晓平\模板编辑.doc 基金项目：科技部国家科技支撑计划课题资助项目(2014BAK02B01)
第3期
张晓平等：紧缩场静区测试方法及相关测试技术
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削、相位起伏的分析处理，得到一条扫描行程线的静区评测结果。为反映整个平面位置的静区性能，还需进行
ZHANG Xiaoping1，LUO Qincheng2，FENG Xu1，FAN Yong1，CHEN Lei1，LI Bo1
(1.Beijing Engineering Research Center of EMC and Antenna Test Technology，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.International College，Beijing University of Post and Telecommunication，Beijing 100876，China)
一种一体化集成宽带阵列天线设计
一种一体化集成宽带阵列天线设计刘志佳;雷冀;庄建楼;韩运忠【摘要】针对新一代深空探测通信的需求,提出了一种高集成度X频段宽带圆极化微带阵列天线.天线由48单元层叠微带贴片单元和相应的多层馈电网络组成.天线通过耦合馈电技术将辐射单元和馈电网络(BFN)进行一体化集成,采用旋转序列馈电技术提高天线的圆极化性能.对实际设计的天线进行了仿真分析,结果表明:该天线在19.4％的频带范围内具有较好的增益、驻波比和圆极化特性,能够满足新一代深空探测通信任务的需求.%In considering of the requirement of new generation deep space exploration communica tion,an X band high integration broadband circular polarization microstrip array antenna is introduced in this paper.The array antenna is composed of 48 printed stacked microstrip patch elements and multilayer beam forming network (BFN).Coupled feeding technique is appropriate for new array antenna architectures that integrates the radiating elements with the associated BFN.Sequential rotation technique has been applied on the array to obtain broad bandwidth in return axial ratio performance.The simulation results show that the antenna obtain good performance of gain,VSWR (voltage standing wave ratio) and circular polarization over a wide bandwidth (19.4％).The antenna array can meet the requirement of the new generation deep space exploration communication.【期刊名称】《航天器工程》【年(卷),期】2016(025)006【总页数】7页(P94-100)【关键词】航天器;一体化集成天线;宽带;圆极化;阵列天线;多层馈电网络【作者】刘志佳;雷冀;庄建楼;韩运忠【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TN82深空探测领域尤其是月球探测着陆巡视器和火星探测着陆巡视器中，国内外一般均配备一副高增益天线并利用X频段作为测控通信频段。
中国空间站建设系统方案特点与展望
㊀V o l ．３１㊀N o ．６㊀２６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３１卷㊀第６期㊀２０２２年１２月中国空间站建设系统方案特点与展望王翔㊀张峤㊀王为(北京空间飞行器总体设计部,北京㊀１０００９４)摘㊀要㊀空间站作为长期在轨飞行的载人空间飞行器,是一个国家科技实力的综合体现.建造中国空间站是我国载人航天工程三步走发展战略的最终目标.文章从设计原则㊁总体方案㊁建造过程和系统功能设计等方面介绍了中国空间站建设的设计方案,在此基础上分析并总结了中国空间站在设计理念先进㊁新技术比重大㊁建造费效比优㊁驻留安全高效等方面的技术特点,最后探讨了中国空间站面向未来的应用和发展方向.关键词㊀空间站;系统方案;技术特点;展望中图分类号:V ４７６ １㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/ji s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２２ ０６ ００５S y s t e mC h a r a c t e r i s t i c s a n dP r o s p e c t o fC h i n a S pa c e S t a t i o n WA N G X i a n g㊀Z H A N G Q i a o ㊀WA N G W e i (B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １０００９４,C h i n a )A b s t r a c t :A s am a n n e d s p a c e c r a f t o p e r a t i n g i no r b i t f o r a l o n g t i m e ,t h e s p a c e s t a t i o n e m b o d i e s a c o u n t r y s s c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a l s t r e n g t h c o m p r e h e n s i v e l y ．B u i l d i n g t h eC h i n a S pa c e S t a t i o n (C S S )i st h eu l t i m a t et a r g e to ft h et h r e e Ｇs t e p d e v e l o p m e n ts t r a t e g y o fC h i n a M a n n e d S pa c e (C M S )P r o g r a m．I n t h i s p a p e r ,s y s t e md e s i g no fC S S i s i n t r o d u c e d i n t e r m s o f i t s d e s i gn p r i n c i Ｇp l e s ,s y s t e ms c h e m e ,b u i l d i n g p r o c e s s ,a n d f u n c t i o n d e s i gn ．O n t h i s b a s i s ,f o u r t e c h n i c a l c h a r a c Ｇt e r i s t i c s o f C S S ,i n c l u d i n g t h e a d v a n c e d d e s i g n c o n c e p t ,t h e l a r g e p r o p o r t i o n o f n e wt e c h n o l o gi e s ,t h e e x c e l l e n t c o s t Ｇe f f e c t i v e n e s s r a t i o ,a n d t h eh i g hs a f e t y a n de f f i c i e n c y of t h e c r e w s r e s i d e n c e ,a r e a n a l y z e d a n d s u mm a r i z e d ．F i n a l l y ,t h e f u t u r e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C S S i s d i s c u s s e d ．K e y w o r d s :s p a c e s t a t i o n ;s y s t e ms c h e m e ;t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ;p r o s p e c t 收稿日期:２０２２Ｇ０９Ｇ０７;修回日期:２０２２Ｇ１２Ｇ０９基金项目:中国载人航天工程作者简介:王翔,男,博士,研究员,中国载人航天工程空间站系统总指挥,从事载人航天器总体设计与研制工作.通讯作者:张峤,男,博士,高级工程师,空间站问天实验舱总体主任设计师,从事载人航天器总体设计与研制工作.E m a i l :z h a n g qi a o _b i t ＠h o t m a i l ．c o m .㊀㊀载人航天技术是世界航天的发展热点之一,不仅能反映一个国家航天技术的发展水平,而且成为衡量一个国家经济㊁技术和军事力量以及综合国力的一个重要标志.我国的载人航天工程于１９９２年立项,采用 三步走 的发展战略方针,建造空间站正是该战略方针最终目标[１].空间站的建成和运营将使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术,具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验能力,能够综合开发利用太空资源的国家,为人类和平利用太空作出开拓性的贡献.２０１０年９月,中国载人空间站工程正式立项实施[２].经过１１年的不懈努力,２０２１年４月２９日,天和核心舱在海南文昌航天发射场由长征五号B 运载火箭成功发射入轨,拉开了我国载人空间站建造的大幕,标志着我国载人空间站工程进入任务实施阶段[３].按计划,从２０２１年至２０２２年,通过１１次发射及在轨飞行任务,我国将完成空间站的组装建造,转入正式运营阶段.截至目前,国外先后发射并进入太空运行的空间站包括苏联礼炮号,美国 天空实验室 ,苏联和平号空间站,以及由美俄为首㊁１６个国家参与建造的 国际空间站 [４Ｇ６].我国天宫空间站的建设运行,将使我国成为继苏联/俄罗斯㊁美国之后第三个独立建设运行空间站的国家.１㊀任务目标天宫是一个具有浓郁中国特色的词汇,寄托着中华民族对于广袤太空的无限遐想.中国空间站取名为天宫,表明它是一个长期稳定运行的 太空母港 ,可为在轨乘组提供舒适的驻留保障,可持续开展空间科学研究及技术试验探索,也可为来访飞行器提供必要的服务支持.通过天宫空间站的建设,我国将在特殊的太空环境中搭建起有人参与的科学探索与技术创新国家级太空实验室,航天员和科学家将经常往来于天地之间,开展大规模的空间科学实验和技术试验,进一步推动我国创新型国家建设,显著提升我国在国际科学技术领域的影响力.天宫空间站的建设任务目标包含以下三个方面[７]:(１)建造以天和核心舱㊁问天实验舱和梦天实验舱为基本构型,长期在轨可靠运行的空间站;(２)为航天员长期在轨健康生活㊁有效工作提供保障,并在其他系统配合下,保证访问空间站航天员的安全;(３)为开展多领域空间科学实验与技术试验提供保障和支持条件.２㊀系统方案设计作为世界上第三座多舱段在轨组装建造空间站,天宫空间站在系统设计上充分借鉴了和 平号 空间站和国际空间站的经验教训[８Ｇ９],坚持立足我国基本国情,秉持规模适度㊁安全可靠㊁技术先进㊁系统优化㊁经济高效的理念,充分利用我国载人航天前期技术基础,着力发挥后发优势,走出一条独立创新的跨越式发展道路.２ １㊀设计原则天宫空间站的设计遵循以下原则:(１)符合中国国情,有所为㊁有所不为,规模适度,留有发展空间;(２)具有突出的中国元素和核心内涵;(３)追求技术进步,充分采用当代先进技术建造和运营空间站,全面掌握大型空间设施的建造和在轨操作能力;(４)注重应用效益,在空间站应用领域取得重大创新成果;(５)追求运营经济性,走可持续发展的道路.２ ２㊀总体方案综合考虑载人飞船的发射场㊁着陆场地理位置以及返回的回归轨道,天宫空间站运行在轨道倾角４１ʎ~４３ʎ,轨道高度３４０~４５０k m的近地轨道上.其设计寿命大于１０年,额定乘员３人,乘组轮换时可达６人.天宫空间站由天舟货运飞船负责运送推进剂㊁设备载荷和其他物资消耗品,并负责下行销毁废弃物的任务.载人运输任务则由神舟飞船负责.天宫空间站由天和核心舱㊁问天实验舱和梦天实验舱三个基本舱段组成,呈T字构型.天和核心舱居中,问天实验舱和梦天实验分别连接于两侧,如图１所示.天宫空间站设置有前向㊁后向和径向３个对接口.前向对接口主要用于对接载人飞船和巡天空间望远镜,后向对接口主要用于对接货运飞船,径向对接口主要用于对接载人飞船[１０].图１㊀天宫空间站构型图示F i g １㊀C o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo fT i a n g o n g s p a c e s t a t i o n天宫空间站以三舱构成完整的系统进行统一设计,整体构型设计借鉴了 和平号 空间站 积木组装 式的构型特点.为了避免 和平号 空间站各舱段间太阳电池翼遮挡严重的问题,整站长期飞行采取三舱布置在同一平面,减少了舱段间的舱体相互遮挡.两个实验舱构型㊁质量特性基本一致,在 T 字构型中呈横向对置,再结合每个实验舱近２０m的结构长度,形成了类似 国际空间站 的桁架结构.实验舱大面积太阳电池翼布局于整体构型的两侧,同时配置双自由度驱动机构,使太阳电池翼能够随时与太阳光线垂直,保证发电效率始终保持在最高状态.７２㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王翔等:中国空间站建设系统方案特点与展望２ ３㊀建造过程天宫空间站三舱基本构型采用空间交会对接和在轨舱段转位的方式完成建造,如图２所示.组装建造可分为如下五个步骤:(１)第一步,发射天和核心舱,在载人飞船㊁货运飞船的配合下进行空间站组装建造的关键技术在轨验证;(２)第二步,发射问天实验舱,与天和核心舱前向对接口交会对接,形成 一 字形两舱组合体;(３)第三步,在梦天实验舱发射前,将问天实验舱由天和核心舱前向对接口在轨转位至I V 象限停泊口,形成 L形两舱组合体;(４)第四步,发射梦天实验舱,与天和核心舱前向对接口交会对接,形成 ┠ 字形三舱组合体;(５)第五步,将梦天实验舱由天和核心舱前向对接口在轨转位至I I 象限侧停泊口,形成 T 形三舱组合体,完成天宫空间站基本构型建造.图２㊀天宫空间站组装建造过程图示F i g ２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f a s s e m b l y of T i a ng o n g s pa c e s t a t i o n ２ ４㊀系统功能设计２ ４ １㊀控制及推进系统设计天宫空间站姿态控制采用控制力矩陀螺(C MG )控制和发动机喷气控制两种方式,以C MG 控制为主,喷气控制为辅.综合考虑舱段构型布局和维修性设计,天和核心舱与问天实验舱各配置１套C M G (每套６个,共１２个),分别布置在舱外和舱内,如图３所示.通过不同飞行姿态对角动量控制的针对性需求,规划C MG 按照１套开机或２套同时开机进行工作.天宫空间站设计有对地定向飞行㊁惯性飞行㊁力矩平衡正向飞行３种正常情况下的飞行姿态.综合考虑太阳翼发电效率和姿控推进剂消耗,单舱和两舱组合体飞行期间主要采用惯性飞行姿态,三舱组合体飞行期间主要采用力矩平衡正向飞行姿态.对地定向飞行姿态由于推进剂消耗较大,主要在交会对接等特定任务中使用.在力矩平衡正向飞行姿态下,天宫空间站利用重力梯度力矩实现C MG 角动量卸载,既可避免发动机喷气带来的姿控推进剂消耗,又可合理地规划发动机使用策略,避免其寿命过度使用.图３㊀天宫空间站上的C MGF i g ３㊀C MG s o nT i a n g o n g s pa c e s t a t i o n 为了实现天宫空间站在轨长期运行,在天和核心舱配置了推进剂补加系统,接受由天舟货运飞船所携带的推进剂.补加系统采用基于膜盒贮箱和增压气体复用的推进补加方案,配置了长寿命高可靠压气机,实现了增压气体的重复利用.在天和核心舱前㊁后向对接机构均配置了补加接口,保证了货运飞船在天和核心舱前向对接口或后向对接口对接时均可为天宫空间站补加推进剂,提高了任务的可靠性.另外,当巡天空间望远镜等来访飞行器在天和核心舱前向对接口停泊时,停泊在后向对接口的货运飞船可过路天宫空间站为巡天空间望远镜和其他８２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀来访飞行器跨舱提供推进剂补加.此外,天宫空间站在天和核心舱上配置有的中功率(０ ５~１０k W )霍尔电推进系统,作为化学推进系统的补充.霍尔电推进系统包括４台８０m N 霍尔推力器和２个贮气模块,推力器的工质为氙气,贮气模块可通过机械臂在轨更换.这是国际上首次应用电推进系统用于辅助开展空间站的轨道维持,是天宫空间站在推进技术方面的一项重要创新(如图４所示).电推进系统可减缓空间站轨道衰减速度,还可为空间站节省化学推进剂,减轻了货运飞船补给运输的压力.图４㊀电推进系统试车照片F i g ４㊀T e s t i m a g e s o f e l e c t r i c p r o p u l s i o n s ys t e m ２ ４ ２㊀能源系统设计为提升发电能力,天宫空间站配置了大面积柔性太阳翼作为发电设备,采用转换效率３０％的三结砷化镓电池片以及先进的锂离子蓄电池.天和核心舱太阳翼单翼展开长度１２ ６m ,采用单自由度驱动机构驱动(如图５所示).问天和梦天实验舱太阳翼单翼展开长度２７m ,阵面面积超过１１０m ２,采用双自由度驱动机构驱动,太阳翼可在轨收拢和展开,支持在轨维修和更换.天宫空间站采用标准１００V 母线体制,各舱之间通过并网统一供电,可向停靠的载人飞船和货运飞船提供一定功率的电能.两个实验舱之间还可实现能源动态调配,为所需舱段的科学实验载荷用电提供支持.图５㊀天和核心舱太阳翼在轨展开图示(在轨任务图片)F i g ５㊀O n Ｇo r b i t u n f o l d i n g o f s o l a r a r r a y s o n T i a n h e c o r em o d u l e (o n Ｇo r b i tm i s s i o n)天宫空间站形成T 字形三舱组合体后,天和核心舱太阳翼容易被实验舱的舱体和太阳翼遮挡,发电效率降低.通过将天和核心舱太阳翼收拢㊁拆卸㊁转移到两个实验舱尾部,可拓展整站的发电能力(如图６所示).该任务是在舱外两个机械臂的组合使用下,通过多次航天员出舱活动完成的,将充分展现天宫空间站对于舱外大型设备转移㊁再建的扩展能力.图６㊀天和核心舱太阳翼转移安装后构型F i g ６㊀C o n f i gu r a t i o na f t e r t r a n s f e r a n d r e i n s t a l l a t i o n o f s o l a r a r r a ys o fT i a n h e c o r em o d u l e ２ ４ ３㊀载人环境系统设计天和核心舱与问天实验舱均配备了全套再生生保系统和非再生生保系统,梦天实验舱配备了简化的非再生生保系统.核心舱再生式生保系统负责整站载人环境控制,非再生设备作为辅助;问天实验舱再生生保系统作为载人环境控制的系统级备份.天宫空间站再生生保系统采用物理化学再生方式[１１],包含了电解制氧㊁微量有害气体去除㊁C O ２去除㊁水处理㊁尿处理㊁C O ２还原６个子系统.电解制氧系统提供航天员生活所必须的O ２.C O ２去除系统可将人体产生的C O ２经可再生吸附剂吸附并利用舱外真空热解吸[１２].针对不同的微量有害气体,采用化学吸收㊁物理吸附㊁常温催化氧化和高温催化氧化等手段去除[１３];再生吸附装置通过真空热解吸将大部分微量有害气体排到舱外,实现吸附剂再生.人体尿液经尿处理系统蒸馏后生成尿蒸馏水,再与舱内收集的冷凝水一同经水处理系统处置.水质可以满足航天医学饮用水要求和电解制氧用水要求.在空间站建造及运营阶段,通过C O ２还原系统,将从C O ２去除系统中收集㊁浓缩后的C O ２与电解制氧的副产物H ２反应生成C H ４和水,经水处理系统９２㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王翔等:中国空间站建设系统方案特点与展望净化后再用于补充航天员饮水,进一步提高生命保障系统的物质闭环程度,降低对在轨驻留消耗品的补给需求.经在轨数据综合评估,舱内的氧气和水基本实现了不依赖地面上行,极大地减轻了货运飞船补给运输的压力.２ ４ ４㊀机械臂系统设计天宫空间站在天和核心舱配置１个７自由度大机械臂,作业半径为１０m ,最大负载２５t ,在问天实验舱配置１个７自由度小机械臂,作业半径为５m ,最大负载３t (如图７所示).两个机械臂均配置了丰富的视觉测量㊁关节力矩㊁末端力传感器,可独立㊁组合或协同使用,完成舱段转位㊁辅助航天员出舱㊁舱外货物转移㊁舱外载荷照料㊁悬停捕获来访飞行器等复杂在轨任务[１４].大机械臂主要负责大负载大范围转移,小机械臂主要负责小负载精细化操作,组合臂主要执行航天员或舱外载荷的大范围操作任务.双臂组合后作业半径可达１５m.图７㊀天宫空间站机械臂(在轨任务图片)F i g ７㊀R o b o t i c a r mo fT i a n g o n g s pa c e s t a t i o n (o n Ｇo rb i tm i s s i o n)㊀㊀大小机械臂均具有重定位能力,形象地说就是能头尾互换地进行 爬行 .天宫空间站舱体表面安装了多个机械臂适配器,在它们的配合帮助下两根机械臂可以在舱体表面灵活移动,大大扩展了任务灵活性和活动范围.２ ４ ５㊀出舱活动设计出舱活动是保障空间站长期可靠运行,完成舱外组装建造和舱外作业,开展舱外载荷操作的必要手段.天和核心舱节点舱和问天实验舱专用气闸舱均支持航天员出舱活动.天和核心舱单舱飞行期间利用节点舱出舱;问天实验舱对接后,使用专用气闸舱出舱,节点舱作为备份,如图８所示.此外,安装在空间站舱外的设备(含舱外载荷)则通过梦天实验舱货物气闸舱实现自动出舱,如图９所示.该项功能有效的减少了航天员的出舱次数,提高了舱外作业效率,进一步保证了航天员的安全.图８㊀航天员出舱场景(在轨任务图片)F i g ８㊀S c e n a r i oo f c r e w m e m b e r e x i t i n g th e m o d u l e (o n Ｇo r b i tm i s s i o n)０３㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀图９㊀货物专用气闸舱图示F i g ９㊀S p e c i a l a i r l o c km o d u l e f o r c a r g o２ ４ ６㊀组装建造设计天宫空间站的组装建造任务主要由交会对接和舱段转位实现.在空间站运营阶段,通过航天员出舱活动,将天和核心舱太阳翼转移至问天实验舱和梦天实验舱尾部桁架安装,扩大空间站的发电能力.１)交会对接天和核心舱具备接纳从８t量级载人飞船到２３t 量级实验舱等多种飞行器交会对接的能力.交会对接方式包括前向㊁后向和径向,对接轨道高度为３９３ʃ１０k m.根据来访飞行器的不同任务特点,交会对接时长可持续１~５天不等.交会对接以自动控制模式为主,为提高飞行任务的可靠性,天和核心舱还配置了手控遥操作交会对接设备.在最后的平移靠拢段,核心舱内的航天员可通过观测实时图像操作控制手柄,对实验舱㊁货运飞船㊁巡天空间望远镜等飞行器进行遥控对接,如图１０所示.图１０㊀天和核心舱与天舟货运飞船手控遥操作对接在轨试验(在轨任务图片)F i g １０㊀M a n u a l r e m o t e c o n t r o l d o c k i n g t e s t b e t w e e n T i a n h e c o r em o d u l e a n dT i a n z h o u c a r g o s p a c e s h i p(o nＧo r b i tm i s s i o n)㊀㊀实验舱采用了 n圈＋６脉冲 的全相位快速交会对接方案,如图１１所示,在天地协同模式下,首次使用了通过地面制导软件计算快交策略并注入执行的飞行控制策略.通过预留 n圈 的大相位追及圈次,可实现实验舱对核心舱组合体３６０ʎ全相位追踪.问天实验舱于２０２２年７月２４日发射入轨后,自主实施６次快交脉冲后准确转入自主控制阶段,共计用时１３h完成与核心舱组合体交会对接,实现了世界首次２３吨级追踪飞行器的快速交会对接任务.实验舱柔性太阳翼长２７m,采用二次展开方案,对接前展开约６ ５m,动力学特性满足交会对接控制要求;对接后太阳翼全展开,动力学特性满足天１３㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王翔等:中国空间站建设系统方案特点与展望宫空间站长期在轨控制精度要求.该策略在梦天实验舱飞行任务中再次得到应用验证.图１１㊀实验舱快速交会对接策略图示F i g １１㊀F a s t r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g s c h e m e o f e x pe r i m e n tm o d u l e ㊀㊀２)舱体转位通过舱段转位技术,将问天实验舱和梦天实验舱转位至节点舱侧向停泊口,实现天宫空间站三舱组合体的组装建造,如图１２所示.梦天实验舱发射前,将问天实验舱由节点舱前向对接口转位至I V象限停泊口永久停泊.梦天实验舱与核心舱对接后,将梦天实验舱由节点舱前向对接口转位至I I 象限停泊口永久停泊.问天实验舱与梦天实验舱分别于２０２２年９月３０日和１１月３日完成转位任务,空间站T 字基本构型建造完毕.图１２㊀天宫空间站舱段转位示意图F i g １２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo fm o d u l e t r a n s f e r r i n g天宫空间站舱段转位任务以转位机构转位为主份,大机械臂转位为备份.转位机构转位实验舱期间,大机械臂在核心舱待命,通过臂上摄像机对转位过称进行全程监视,同时具备实时备份接手的条件.与和平号空间站采用 翻转式 转位模式不同,天宫空间站采用 平转式 转位方案,即实验舱与核心舱始终处于一个平面内,如图１３所示.这种转位模式既有利于实验舱舱外天线和敏感器在不同飞行剖面中的统一化配置及综合利用,也有利于空间站长期在轨飞行的测控覆盖.为保证转位过程整站姿态漂移小,转位过程采用重力梯度被动稳定控制.图１３㊀转位机构转位实验舱全过程示意图F i g １３㊀W h o l e p r o c e s s o f e x p e r i m e n tm o d u l e t r a n s f e r r i n g b y t r a n s f e r r i n g m a n i pu l a t o r ３㊀技术特点及先进性总体来看天宫空间站技术特点主要体现在设计理念先进㊁新技术比重大㊁建造费效比高㊁驻留安全高效等４个方面.３ １㊀设计理念先进,系统架构优化天宫空间站充分发挥了由我国一国独立研制的优势,在设计之初就高度重视系统层面的设计架构和技术体制,坚持 １＋１＋１＝１ 的设计理念,重点突出系统顶层设计,实现三舱间系统融合㊁接口匹配.在产品实现层面,各分系统采用相同的研制规范,统２３㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀一制定了元器件选用要求㊁原材料选用要求㊁通用计算机选用要求等规范性技术文件.分系统针对三舱功能制定产品配套,产品通用化率大于８０％.形成组合体后,原本独立的三舱形成一个有机的整体,在天和核心舱的同一管理下,各舱段的控制系统㊁能源系统㊁信息系统㊁热控及载人环境系统跨舱互联,协同工作.例如,在舱段间进行千瓦级大功率供电调配的同时,将舱段间的热控流体回路连通,实现千瓦级热量的跨舱传输,均衡各舱段热控辐射器的散热能力.同时,整站充分利用了快速发展的先进信息网络技术,实现了舱段间资源的高效融合使用,提高了空间站整体能力和系统可靠性.例如,当天和核心舱的控制系统㊁能源系统㊁信息系统或载人环境系统出现异常且短时间内不可修复时,天宫空间站可自动将控制权切换至问天实验舱,保证在轨任务可靠执行.此外,天宫空间站与神舟载人飞船和天舟货运飞船的技术体系也保持一致,使得神舟载人飞船和天舟货运飞船与天宫空间站对接后也能构成有机整体,参与组合体的管理.例如,天宫空间站的计算机可控制天舟货运飞船的发动机进行组合体轨道和姿态控制,也可通过天舟货运飞船的中继天线下行百兆高速数据.天宫空间站既可对神舟载人飞船㊁天舟货运飞船㊁巡天空间望远镜等来访飞行器进行并网供电,也可接受天舟货运飞船的反向供电支持.天宫空间站既可对神舟载人飞船提供热支持,也可接受神舟飞船内的产品对其进行辅助除湿.３ ２㊀新技术比重大,智能化程度高１)新技术应用我国是在经过空间实验室阶段任务,突破了交会对接等关键技术的基础上,经充分地面试验验证,引入新技术进行天宫空间站的组装建造,走出了一条稳健的跨越式发展道路.新技术比重大是天宫空间站的显著特征,其采用的空间机械臂技术㊁物化式再生生保技术㊁大面积柔性太阳翼技术等均为我国首次在轨应用的全新技术,应用难度大㊁研制风险高.针对新技术应用带来的在轨飞行任务风险,天宫空间站按照逐步开展㊁稳步推进的策略开展研制,逐级提高技术成熟度.在天和核心舱发射入轨后,专门设置了关键技术在轨验证阶段,为期约１年时间.在神舟载人飞船和天舟货运飞船的配合下,利用天和核心舱对后续空间站组装建造的关键技术进行全方位在轨验证,特别是对存在较大天地差异㊁无法通过地面测试试验全面验证的关键技术进行在轨验证.例如,通过核心舱太阳翼㊁大机械臂在轨测试验证,为问天实验舱所携带的实验舱太阳翼㊁对日定向装置㊁小机械臂等复杂产品的研制提供了充足的在轨数据支持,为后续在轨操作提供了详实的测试方案㊁协同程序㊁飞控策略.新技术比重大也是天宫空间站充分利用后发优势实现新技术应用的具体体现.得益于近年来信息技术的飞速发展,天宫空间站充分利用先进信息网络技术来提升平台能力.基于我国第二代中继卫星的天地链路传输速率达到１ ２G b i t/s,为 国际空间站 的２倍.通过高速以太网为科学实验载荷直接提供服务系统,既能满足载荷数据传输的高性能要求,又为地面技术向在轨航天器移植提供了极大的便利.２)智能化水平天宫空间站从设备及系统层面均体现了较高的智能化程度.例如,通过设置无线W iＧF i网络及语音图像系统,航天员可使用智能手机㊁平板电脑对生活家居及在轨物资进行智能化管理.整站配置了压力泄漏检测系统,当密封舱失压时自动报警,根据失压等级提醒航天员采取堵漏㊁隔离等措施.当整站出现供电能力下降㊁推进剂泄漏㊁辐射器泄漏等紧急重大故障时,通过高性能计算机系统实现故障自主诊断,自动隔离危险源,进行安全性处置.３)数字化建设天宫空间站从方案设计阶段开展,全面应用数字化技术,实现了三维设计㊁三维出图㊁三维图纸下厂㊁数字化制造㊁无纸化总装和检验㊁数字化质量确认,实现了从产品设计到研制㊁验收的全面数字化,大幅度提高了工作效率.通过全面开展了数字仿真工作,研制人员针对天宫空间站的建模仿真技术取得了长足发展[１５Ｇ１６].突破地面试验条件限制,将数字仿真和物理试验相结合,完成了空间站机械臂㊁柔性太阳翼㊁出舱活动任务㊁舱段转位任务等地面验证,利用单机物理试验修正仿真模型,利用仿真模型实现系统级的任务仿真验证.基于M B S E技术建立了数字空间站,在飞行任务期间实时数据驱动伴飞,预测整站健康趋势,并利用数字空间站对出舱活动㊁舱段转位㊁组合体运行㊁机械臂操作等任务进行仿真验证和专业技术支持.在工程总体协调和支持下,数字空间站功能将集合载人船㊁货运飞船㊁空间应用系统的仿真模型,实现全功能数字空间站.３３㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王翔等:中国空间站建设系统方案特点与展望。
北航飞行器结构优化设计
北航飞行器结构优化设计概述结构的优化设计包括材料选取、几何形状和布局设计、阻力和气动特性等多个方面。
在这方面，有许多技术和工具可以用于支持飞行器结构的优化设计。
其中包括有限元分析、拓扑优化、多学科优化等。
材料选取材料的选取对飞行器结构的优化设计至关重要。
正确选择合适的材料可以有效地减轻飞行器的重量，并提高其强度和刚度。
常见的优化设计材料包括高强度钢、铝合金、复合材料等。
对于不同类型的飞行器，比如固定翼飞机、直升机、无人机等，材料的选取需要根据其特点和性能要求进行合理选择。
几何形状和布局设计几何形状和布局设计可以通过优化来减少飞行器的阻力并提高其性能。
优化设计可以通过调整机翼、机身、尾翼等部件的形状和尺寸，改善飞行器的气动性能。
此外，通过减少细微的结构细节，可以减少飞行器的表面积，从而减少阻力。
阻力和气动特性飞行器的阻力和气动特性对其性能和效率有着重要的影响。
通过优化设计，可以减小飞行器的阻力，并提高其升力性能。
常见的优化设计方法包括设计低阻力翼型、翼型尖端修整、减小表面涡流等。
有限元分析有限元分析是一种常用的工程分析方法，可以在结构设计中用于评估材料和几何形状的负载响应。
通过有限元分析，可以预测和优化飞行器的应力和变形。
这对于飞行器的结构优化设计非常重要，能够避免结构的过度设计和储备，并确保飞行器的强度和可靠性。
拓扑优化拓扑优化是一种常用的结构优化方法，通过调整结构的拓扑发现最佳物理结构布局。
它能够优化材料的分布，减小结构的自重，并保持结构的强度和刚度。
拓扑优化通常与有限元分析相结合，以提供最优的结构设计方案。
多学科优化飞行器的结构设计往往涉及到多个学科领域，比如结构力学、气动学、材料力学等。
通过多学科优化方法，可以考虑并优化这些学科的相互作用，提供更全面和综合的结构优化设计方案。
这将提高飞行器的整体性能和效率。
结论北航飞行器结构的优化设计是一个复杂的任务，需要综合考虑材料、几何形状、布局、阻力和气动特性等多个因素。
飞行器总体设计课程导引
飞行器总体设计课程导引1. 课程介绍●本课程是飞行器设计专业学生的专业必修课，主要讲述飞机总体设计的基本原理和方法。
●系统工程的方法是其处理问题的理论基础，而大量的技术科学如空气动力学、飞行力学、结构分析与设计、材料工程、工程热力学、航空电子学、控制学等又构成其解决具体问题的技术基础。
飞行器总体设计的目的就是要将各个分系统（它涉及各个技术学科）为实现系统的最佳功能而进行恰当的综合。
●体现工程设计的特点：为一定目的进行设计；为最好的实现设计目的，需对各个分系统所涉及的技术问题进行全面的(技术的、经济的)分析、探索，并在此基础上进行最佳的综合折中。
●工程设计：是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求(系统要求)转化为一组能完整描述系统的参数(文档或图纸)的活动过程。
2. 教学内容●飞机设计阶段的划分和飞机设计的依据●飞机构形和发动机的选择●飞机主要参数的确定●各部件外形设计●飞机的总体布置●飞机方案评估分析●飞机设计新技术●飞机总体设计实例3. 教学目标●掌握飞机设计的一般过程和方法。
●融汇贯通先修专业基础课程的知识：飞机总体设计将综合应用空气动力学、飞行动力学、航空发动机原理、飞机结构力学、飞机制造工艺等课程学到的知识。
●提高综合分析、判断和决策能力：面对众多的设计方案中，经过综合分析，作出决策和选择。
●培养团队合作精神：每4~6个学生为一设计小组，分工协作，共同完成资料收集和某飞机总体方案的初步设计工作。
●培养制定计划、组织协调的能力：每个设计小组在14周内完成一个飞机总体设计的初步工作，必须制定计划，分工合理，协调每个学生的进度。
●提高书面和口头表达能力：在本课程结束时，每个设计小组必须提交设计报告，并面向全体同学汇报设计过程和设计方案。
4. 教材●李为吉主编，飞机总体设计，西北工业大学出版社，20055. 参考文献●李为吉主编，现代飞机总体综合设计，西北工业大学出版社，2001●Raymer D. P.，Aircraft Design：A Conceptual Approach，AIAA Education Series, 4th Edition, 2006. （第二版中英对照本：王和平编，现代飞机总体设计，西北工业大学讲义，1995）●顾诵芬等编，飞机总体设计，北京航空航天大学出版社，2001●余雄庆等编，飞机总体设计，航空工业出版社，2000●杨景佐等编，飞机总体设计，航空工业出版社，1991●(俄)叶格尔等著，杨景佐等译，飞机设计，航空工业出版社，1986●Roskam, J.，Airplane Design, Part 1- Part 8, Roskam Aviationand Engineering Corporation, Ottawa, Kansas,1985●Jenkinson, L. R, Simpkin, Paul., Rhodes, D., Civil JetAircraft Design, Arnold, London, 1999●Roger D. Schaufele, The Elements of Aircraft PreliminaryDesign, Aries Publications, California, 2000●Torenbeek, E, Synthesis of Subsonic Airplane Design, DelftUniversity Press, 1982●Taylor, J. W. R., Jane’s All the World Aircraft, Jane’sPublishing Company, London●方宝瑞等编，飞机气动布局设计，航空工业出版社，1997●武文康、张彬乾编，战斗机气动布局设计，西北工业大学出版社，2005●飞机设计手册第四册军用飞机总体设计，航空工业出版社，2005●飞机设计手册第五册民用飞机总体设计，航空工业出版社，2005●侯志兴等编，世界发动机手册，航空工业出版社，1986●“世界民用飞机综合数据”，国际航空，2001年第9期●“世界商用飞机发动机的主要技术数据”，国际航空，2001年第9期●“世界支线飞机综合数据”，国际航空，2001年第4期●“世界支线飞机发动机技术数据”，国际航空，2001年第4期●“世界公务机/通用航空飞机综合数据”，国际航空，2000年第10期6. 作业6.1 作业一：方案设计报告自选一种类型的飞机，参考原准机，自拟设计要求，完成总体方案设计工作。
从空间实验室到空间站的总体设计思
㊀第３１卷㊀第６期２０２２年１２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３１㊀N o ．６㊀㊀㊀㊀７从空间实验室到空间站的总体设计思路杨宏(北京空间飞行器总体设计部,北京㊀１０００９４)摘㊀要㊀２０２２年是我国载人航天工程立项３０周年,我国空间站基本构型在轨组建完成.空间实验室和空间站均为交会对接目标和负责组合体控制与管理的航天器,我国在空间实验室任务实施过程中,逐步突破和掌握了空间站部分关键技术,为空间站的研制与建造奠定了技术基础,积累了工程经验.文章结合我国载人工程研制历程,对从天宫一号空间实验室到天宫空间站的系统一体化设计㊁平台关键技术突破㊁关键工艺和产品研制等总体设计进行阐述.关键词㊀空间实验室;空间站;总体设计;一体化设计;组合体管理中图分类号:V ５７㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/ji s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２２ ０６ ００２S y s t e m D e s i g n f r o mS p a c eL a b o r a t o r y t oC h i n a S pa c e S t a t i o n Y A N G H o n g(B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １０００９４,C h i n a )A b s t r a c t :２０２２i s t h e３０t ha n n i v e r s a r y o fC h i n a M a n n e dS p a c eP r o gr a m ,m e a n w h i l e ,t h eb a s i c c o n f i g u r a t i o n o f t h eC h i n a S p a c e S t a t i o nh a s b e e n e s t a b l i s h e d ．A s t h e r e n d e z v o u s a n d d o c k i n gt a r Ｇg e t a n d t h e s p a c e c r a f t r e s p o n s i b l e f o r t h e c o n t r o l a n dm a n a g e m e n t o f t h e c o m b i n a t i o n ,s o m e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e s p a c e s t a t i o nh a v e g r a d u a l l y b r o k e nt h r o u g ha n d m a s t e r e dd u r i n g t h e i m pl e Ｇm e n t a t i o no f t h e s p a c e l a b o r a t o r y m i s s i o n ,l a y i n g a t e c h n i c a l f o u n d a t i o nf o r t h ec o n s t r u c t i o no f t h e s p a c e s t a t i o n a n d a c c u m u l a t i n g e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e ．I n t h i s p a p e r ,t h e s y s t e md e s i gn o f i n Ｇt e g r a t e dd e s i g n ,k e y t e c h n o l o g i e s ,k e y w o r k m a n s h i p a n d p r o d u c t d e v e l o p m e n t f r o m T i a n g o n g Ｇ１s p a c e l a b o r a t o r y t oT i a n g o n g s p a c e s t a t i o n i s d e s c r i b e d ．K e y w o r d s :s p a c e l a b o r a t o r y ;s p a c e s t a t i o n ;s y s t e md e s i g n ;i n t e g r a t e dd e s i g n ;c o m b i n a t i o nm a n Ｇa ge m e n t 收稿日期:２０２２Ｇ１２Ｇ０１;修回日期:２０２２Ｇ１２Ｇ１８基金项目:中国载人航天工程作者简介:杨宏,男,研究员,中国工程院院士,中国载人航天工程空间站系统总设计师,从事载人航天器总体设计工作.E m a i l :z h o u h c h ７７＠１６３．c o m .㊀㊀１９９２年９月２１日,中央政治局正式批准实施我国载人航天工程,并确定了 三步走 的发展战略.载人航天工程第一步是发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验.第二步是突破航天员出舱活动技术和空间飞行器交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的短期有人照料的空间应用问题.第三步是建造空间站,解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题.通过神舟一号至神舟六号载人飞船任务,圆满完成载人航天工程第一步发展战略目标,使我国成为世界上第３个独立自主掌握载人航天基本技术的国家.通过神舟七号至神舟十一号㊁天宫一号㊁天宫二号㊁天舟一号共８次飞行任务的实施,突破并掌握了出舱活动㊁空间交会对接㊁推进剂在轨补加和航天员在轨中期驻留等关键技术,圆满完成了载人航天工程第二步发展战略目标,并预先验证了空间站部分关键技术.载人航天工程第三步从２０１０年空间站任务立项开始,全面开展关键技术攻关和研制工作.从２０２１年４月２９日至２０２２年１１月２９日,通过先后成功发射空间站３个舱段㊁４艘载人飞船和４艘货运飞船共１１次飞行任务,突破并掌握了大型组合体建造和控制㊁空间大型电源㊁再生式生命保障㊁空间机械臂㊁航天员长期在轨驻留等空间站关键技术,完成了空间站T字基本构型组合体的在轨建造,开始转入空间站应用与发展阶段.载人航天工程从立项之初就着眼于空间站建设目标,在工程实施过程中逐步突破和掌握相关关键技术,奠定技术基础,积累工程经验,循序渐进地实现工程目标.其中:空间实验室㊁空间站均是作为组合体控制与管理㊁提供航天员在轨驻留和开展空间应用实验的航天器,其任务㊁功能及工程研制特点是相似的,在总体设计思想上一脉相承.本文结合空间实验室任务至空间站任务的研制历程,对从空间实验室到空间站的总体设计思路进行阐述.１㊀空间实验室任务１ １㊀确定总体设计思路２００４年１２月,中央政治局批准启动我国载人航天第二步任务,并明确第二步任务重点放在航天器交会对接和航天员空间活动等重大技术突破上.完整的载人交会对接技术包括交会㊁对接㊁组合体管理与控制等,以形成空间站建造和运营所需能力.我国 两弹一星 功勋王希季院士将天宫空间实验室与载人飞船对接后形成组合体的复杂过程言简意赅地概括为 １＋１＝１ ,并将其明确为突破㊁掌握载人航天器交会对接技术的标志之一,即:不仅要突破２个航天器在轨交会对接技术,还要掌握组合体控制和管理技术,进而掌握空间站所需的组装建造技术.在综合分析了国外空间实验室发展历程和成功经验,并充分借鉴我国载人航天工程第一步任务技术成果基础上,确立了我国空间实验室设计的指导思想为 明确目标㊁充分验证;充分继承㊁注重创新;以人为本㊁安全可靠;规模适度㊁兼顾应用 [１].受当时运载火箭发射能力的约束,我国空间实验室确定为８吨级天宫一号目标飞行器,具备自主飞行及试验支持㊁交会对接及组合体管理㊁航天员驻留技术支持三类功能.其中:自主飞行及试验支持功能包括自主供电㊁测控通信㊁热控㊁环境控制与生命保障㊁轨道与姿态控制,并具有一定的空间防护能力,以及支持开展部分空间科学实验的能力;交会对接及组合体管理功能包括交会对接㊁组合体轨道相位调整㊁姿态保持,并在载人飞船和空间实验室设计基础上开展组合体信息㊁能源㊁环境等控制能力设计,以实现１＋１＝１ 的组合体控制要求;航天员驻留技术支持功能包括了工作和生活空间支持㊁医学和工效学支持㊁生活保障支持等功能.为了稳步㊁有效地实现载人航天第二步任务目标,总体在任务规划上通过天宫一号突破和掌握低轨长寿命㊁高可靠载人航天器设计制造技术,做到 平台一步到位 ;通过天宫一号先后与神舟八号㊁九号㊁十号３艘载人飞船逐步㊁多次验证了无人交会对接㊁有人交会对接㊁手控交会对接,以及电解制氧㊁动态水气分离㊁组合体控制㊁航天员驻留支持等技术,并开展了多项空间实验.因此,通过天宫一号目标飞行器的飞行试验,既支持了交会对接任务,又为空间站部分关键技术进行了先期验证,降低了整个工程风险,以较小的代价达到了一次任务多方受益的效果,最大程度地发挥了天宫一号的效益,部分功能和指标已经达到国际２０吨级空间实验室的水平.１ ２㊀突破平台关键技术在设计天宫一号目标飞行器时就在继承和借鉴载人飞船设计和研制技术的同时,考虑和分析了长期在轨飞行载人航天器所需要的平台技术,开展了航天器耐低轨空间环境及长寿命设计㊁交会对接和组合体管理与控制设计㊁航天员驻留支持设计㊁安全模式设计等航天器关键技术.１ ２ １㊀低轨长寿命设计空间实验室设计寿命相比载人飞船增至２年,是我国首个低轨长寿命载人航天器,面临长期在轨飞行下的复杂空间环境和高可靠性要求等多项挑战,在航天器在轨测量与控制㊁长期在轨发电性能㊁机电产品长期工作性能㊁舱体结构保持密封性和稳定性㊁机构产品长期运动性能,以及热控㊁润滑㊁密封等材料性能等多个方面均需要重新认识,对航天器系统设计㊁产品配置和产品工艺等方面均提出了严格要求.由此,建立了从分析与识别影响寿命要素入手,根据任务剖面开展系统和产品寿命设计㊁规划地面寿命验证和在轨寿命评估方法的载人航天器长寿命设计与验证体系,并与可靠性设计相结合,满足长寿命㊁高可靠的任务要求.１ ２ ２㊀交会对接和组合体管理与控制设计(１)交会对接.交会对接方案分为远距离导引和自主控制２个阶段.远距离导引段由地面高精度８㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀测量和预报２个航天器轨道,并采用最优的轨道控制策略生成控制参数,由飞船准确执行轨道机动直到处于相对导航敏感器测量范围内.飞船在自主控制段采用光电结合㊁远近搭配㊁相互备份的相对测量系统,测量与目标飞行器的相对位置㊁速度㊁姿态和姿态角速度,采用自动控制为主㊁人工控制为辅的综合控制方案,逼近目标飞行器直到对接机构接触[２].我国通过天宫一号目标飞行器和神舟八号㊁九号㊁十号载人飞船３次飞行任务,完成了８次交会㊁６次对接,突破并掌握了交会对接技术,形成了完整的交会对接系统㊁交会轨道㊁交会测量和控制㊁信息传输㊁对接与分离,以及试验验证的交会对接自主设计与验证体系.(２)姿态轨道控制.天宫一号目标飞行器采用陀螺㊁星敏感器㊁太阳敏感器㊁红外地球敏感器等多种手段,配合使用确保长期飞行高精度㊁高可靠的姿态测量需求.为了满足大质量㊁高精度㊁低消耗的飞行姿态控制需求,天宫一号研制了控制力矩为２００N m s 的控制力矩陀螺(C M G)并首次在国内航天器上使用,采用６个C M G组合使用模式,保证了较大的控制力矩和较高的姿态控制精度[３].同时,采用了多台控制器备份㊁控制器中多数据存储区表决读取的冗余措施,提高控制系统的容错能力,保证了天宫一号目标飞行器控制系统的控制性能和高可靠性[４],为空间站制导导航与控制(G N C)系统的研制奠定了基础. (３)信息管理.天宫一号继承了载人航天工程一期统一S频段(U S B)测控体制㊁１５５３B总线体制㊁复接器和仪表编码指令等成熟可靠的技术,保证了天宫一号的可靠运行.在此基础上,为了满足长期高可靠飞行,天宫一号采用了中继卫星通信㊁空间数据系统咨询委员会(C C S D S)标准和低电压差分信号(L V D S)总线等新技术,在天地链路上采用天基与地基并用模式;在内部信息系统设计方面,采用了多总线和分层总线体制,加强了指令㊁遥测㊁信道容量㊁总线通信流量㊁总线终端数量等方面的标准化设计,去掉了传统工程遥测,形成了信息系统网络化架构.此外,为后续空间站运行需要,天宫一号与载人飞船信息系统开展一体化设计,在对接浮动断接器上预留与来访航天器总线并网的通路[５],并开展了信息系统在轨并网验证,为空间站网络化设计㊁系统重构和天基测控进行技术储备.(４)能源管理.在设计天宫一号的能源管理系统时,充分考虑了后续空间站任务需求,采用了低轨长寿命电源技术㊁１００V高压和多母线独立供电体制㊁高转换效率的三结砷化镓电池片[６]㊁与来访航天器能源并网技术等新技术.由于载人飞船母线电压为２８V,因此天宫一号在并网供电时设计有电压变换㊁并网开关控制和隔离措施,采用恒压输出㊁限流控制方式,保证天宫一号１００V母线与载人飞船２８V母线间的稳定㊁可靠连通和功率传输[７],突破和掌握了１００V供电关键技术和并网技术.(５)热管理.天宫一号首次引入热管理概念,划分为舱段级热管理和组合体热管理２个层次.舱段级热管理主要从舱段系统热负荷特点出发,通过环境控制㊁热控一体化设计等措施实现温湿度协调统一控制,利用统一的热量收集㊁传递㊁利用和排散的手段实现舱段级热量的一体化管理;组合体热管理是在舱段级热管理基础上,在舱段间实现热量的调配㊁转移㊁利用和排散,通过舱段间热耦合实现组合体状态热量的统一管理和优化利用[８].热管理系统包括主动热控系统和被动热控系统.主动热控系统包括通风系统㊁流体回路系统和主动电加热系统;被动热控系统包括隔热㊁保温㊁散热等热控措施.天宫一号和载人飞船组合体热管理,通过舱段间通风技术途径实现,舱段间通风采用舱门通道送风/管路回风的方式,回风管路采用可伸缩的通风热支持软管实现.组合体热管理技术均应用到空间站设计中.(６)载人环境控制.与载人飞船相比,天宫一号具有在轨运行时间长㊁多次驻留任务支持㊁外来航天器环境支持㊁密封舱容大及航天员乘组驻留时间长的特点,这些特点都对我国载人航天器载人环境控制技术提出了新的挑战.基于天宫一号载人环境控制任务的新特点,天宫一号进行了大气环境温湿度和空气成分控制设计㊁微量有害气体净化㊁噪声控制设计和辐射控制设计[９].组合体期间,利用舱间通风支持形成的流场起到传质作用,由天宫一号对组合体空气湿度㊁空气成分和微量有害气体进行统一控制,提供良好的驻留环境.另外,在天宫一号上搭载了电解制氧㊁动态水气分离装置,为空间站所需的部分再生式生命保障技术进行预先验证.１ ２ ３㊀驻留支持设计为了支持航天员更长时间在轨驻留,天宫一号以航天员舒适性为目标,为航天员提供了１５m３的活动空间,并对密封舱内空间进行了功能分区,设置工作区㊁睡眠区和储物区,保障了航天员在长期在轨工作的同时有相对独立舒适的休息区域;配置了热风加热装置和饮水分配装置,使得航天员在轨可以吃上热饭,喝上热水;提供了锻炼设施和娱乐设施,９㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀杨宏:从空间实验室到空间站的总体设计思路航天员还可与地面互发短消息.此外,还在天宫一号上开展了工效设计,为航天员在轨工作㊁生活提供便利,实现了航天员短期驻留,为中期驻留和长期驻留奠定了基础.１ ２ ４㊀自主安全模式设计为了确保长期飞行中的人员和设备安全,在以往分系统自主控制的基础上,在天宫一号上开展了系统级的自主安全设计[１０],从平台关键功能分析入手,设计了能源㊁通信㊁控制㊁热管理和推进自主安全模式及处置策略,确保航天器在轨出现重大故障时可自主处置以保证航天器和人员在轨安全.１ ３㊀掌握关键工艺和产品在突破平台关键技术的同时,在天宫一号上也相应突破和掌握了一批关键工艺技术和产品,如大型整体壁板式密封结构㊁壁板环焊㊁小腔检漏㊁碳纤维复核材料加工㊁冷凝管排防腐涂层等工艺技术,金属膜盒贮箱㊁控制力矩陀螺㊁光纤陀螺㊁红外地球敏感器㊁并网控制器㊁浮动断接器等大量新产品,均作为技术突破有力保障了后续空间站研制,其中金属膜盒贮箱产品直接用于空间站.１ ４㊀奠定空间站技术基础天宫一号飞行任务的顺利完成,实现了其任务目标,为后续空间站任务部分关键技术进行了充分的预先验证.天宫一号任务圆满成功,在轨寿命超出指标１倍多,使得原本作为备份的天宫二号在经过改造后承担了更大的任务,进一步验证了空间站部分关键技术.天宫二号开展了我国首次推进剂在轨补加技术验证,使我国成为世界上第２个开展推进剂在轨补加应用的国家;搭载了由泵组件㊁管路和工质构成的可流动的液体回路验证系统,开展了在轨维修操作技术预先验证;搭载了机械臂及机械手㊁控制器㊁维修设备和工具构成的机械臂操作终端试验,首次开展了我国人机协同在轨维修试验,对典型人机协同维修操作进行验证;为了验证空间站柔性太阳翼技术,搭载３块柔性太阳电池板试验件,开展高低温循环㊁低轨等离子体高压防护和耐原子氧试验;系统开展了宜居性设计,开展了视觉环境与照明㊁无线通话㊁废弃物处理等宜居设计,为２人３０天在轨驻留提供了舒适的环境.空间实验室任务阶段,按照规划的总体设计思路,循序渐进地突破和掌握了多项载人航天器关键技术㊁关键产品和工艺,为后续空间站任务奠定了坚实的技术基础,相关技术㊁产品和工艺均沿用至空间站的设计和研制中.２㊀空间站任务２ １㊀总体设计思路空间站是一个国家科技水平和制造能力综合实力的体现.正在在轨运行的以美国为主导㊁１６国参与的 国际空间站 ,从１９９８年发射第１个舱段,至２０１０年完成建造任务转入全面使用阶段,建造时间共计１２年,累计花费超过１５００亿美元.由于国外对我国载人航天方面的技术封锁,我国只能独立建造空间站.我国空间站任务包括３个方面,具体为:①组装建造我国自己的空间站;②为航天员长期在轨健康生活㊁有效工作提供保障,并在其他系统配合下保证航天员的安全;③为在轨开展多领域空间科学与技术试验提供保障和支持条件.为此,我国提出了 独立自主㊁创新引领㊁体系保障㊁规模适度㊁留有发展空间 的空间站总体设计思路,通过方案深化论证,确立了空间站基本构型由三舱组成,三舱功能既各有分工,又可互补,通过各舱资源㊁功能集成,共同构成功能完整㊁性能强大的７０吨级天宫空间站,组合体达百吨级,使得我国空间站能够在适度规模条件下取得更高的研制效益,实现高效率资源利用和更强的系统冗余.根据此设计思路,在分析借鉴国外空间站设计理念和经验教训的基础上,充分发挥我国新型举国体制优势,突出强调空间站三舱的系统统一,按照 一体化设计㊁统筹研制㊁逐步发展㊁全面风控 的研制途径开展.２ ２㊀系统一体化设计天宫空间站基本构型由天和核心舱㊁问天实验舱及梦天实验舱三舱组成,总质量６８ ５t,是我国目前建造的最大规模的航天器,如图１所示.图１㊀天宫空间站示意F i g １㊀D i a g r a mo fT i a n g o n g s p a c e s t a t i o n０１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀为了避免 国际空间站 由于研制技术体制不统一导致其整体优化程度不高,许多系统间㊁舱段间存在不兼容问题,在天宫空间站设计之初就高度重视系统层面的一体化设计[１１],以 １＝１＋N(等式左边的１代表空间站组合体,右边的１代表主控的核心舱,N 代表后续航天器,等式表明核心舱单舱飞行可以发挥空间站的作用,与载人飞船㊁货运飞船㊁问天实验舱㊁梦天实验舱等航天器对接形成多航天器组合体后,仍是１个系统功能统一㊁协调的整体)的方式设计和构建,从系统任务功能分析和设计入手,再将系统功能分解到三舱,三舱功能既各有特点,又协调匹配,每个舱功能相互间部分备份,使得单舱功能和设备适度冗余,同时组合体在信息㊁测控㊁能源㊁控制㊁载人环境㊁出舱㊁应用支持等功能上有足够冗余,以此提高组合体的可靠度.其中:天和核心舱负责空间站功能的统一管理和控制;问天实验舱对能源管理㊁信息管理㊁控制系统和载人环境等关键功能进行冗余备份,并开展舱内外空间科学与技术试验;梦天实验舱主要开展舱内外空间科学与技术试验.为了更好地保证系统一体化设计,天宫空间站三舱统一设立１５个分系统,保证分系统三舱功能设计的协调匹配.天宫空间站系统技术架构如图２所示.图２㊀天宫空间站研制技术架构示意F i g ２㊀T e c h n i c a l a r c h i t e c t u r e o fT i a n g o n gs pa c e s t a t i o n 在天宫空间站的对外系统接口上也统筹设计,对于三舱通用接口,由空间站系统统一签署㊁三舱遵照执行.为了在轨可以更好地接纳来访航天器,天宫空间站在供电体制和信息体制上兼顾神舟载人飞船㊁天舟货运飞船,使得载人飞船㊁货运飞船与空间站对接后也能构成有机整体,空间站既可对载人飞船㊁货运飞船进行并网供电,也可接受天舟货运飞船的反向供电支持;空间站还可控制货运飞船的发动机进行组合体轨道和姿态控制,并可通过货运飞船的中继天线下行数据和上行指令.在天宫空间站上创新性地开展了可靠性㊁长寿命与维修性的一体化设计,以长寿命设计和固有可靠性设计为基础,维修性设计为保障,进行空间站单舱和组合体可靠性设计.根据天宫空间站飞行任务和在轨工况,在空间站软件方面还开展了自顶向下的系统设计,并形成对分系统软件设计要求,分系统据此开展各自软件设计和验证.三舱的试验验证也从系统层面统筹规划,在单舱功能验证充分的基础上,规划组合体层面的试验验证,确保组合体功能正常㊁匹配.天宫空间站在规模上不如 国际空间站 ,但实现了系统统筹设计㊁三舱功能合理分配,使得空间站三舱组合体在功能上可与 国际空间站 媲美.天宫空间站载荷质量占比超过３０％,高于 国际空间站 的７ ９％;载荷供电功率占比为４４ ４％,与 国际空间站 相当,加上对载人飞船㊁货运飞船和光学舱供电并网功率输出,空间站平台对外提供功率占比为６３％,而平台自身用电仅占３７％;功率质量比为０ ４１k W /t ,优于 国际空间站 的０ ２６k W /t;下行数据传输速率达１ ２G b i t /s,远大于 国际空间站 的１００M b i t /s [１２].２ ３㊀系统统筹研制天宫空间站参研方涉及全国军工㊁地方㊁高校和科研院所等超过３０００家单位,其中既有航天系统内单位,也向系统外单位开放,有长期承研载人航天任务的单位,也有新承担空间站阶段研制任务的单位.因此,各单位在研制体系㊁生产规范和试验标准等方面均有较大不同.为避免参研单位多㊁研制体系和技术水平不统一的问题,确保天宫空间站产品可靠,在空间站研制初期,根据以往研制经验和空间站任务特点,制定了空间站系统１６份设计与建造规范,涉及产品设计㊁元器件和原材料选用㊁生产㊁试验㊁软件等各环节,构建起空间站研制标准化体系,实行 整体覆盖㊁适度１１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀杨宏:从空间实验室到空间站的总体设计思路超前㊁逐级传递㊁监督执行 标准化管理,三舱统一采用相同的研制规范,保证各单位研制体系统一.在分系统三舱统一设立的基础上,空间站三舱产品采用通用化设计,通用化率达到近８０％.通用化设计优点在于:①三舱通用化产品标准统一㊁设计统一㊁验证统一㊁质量统一㊁状态更改影响分析统一;②产品可互换,提高功能㊁单机备份能力;③产品维修备件通用,减少备件数量.另外,在空间站上统筹开展综合电子设计,分区集中采集传感器测量参数㊁传感器和阀门供电等;还开展通用计算机设计,统一分系统控制计算机和综合业务单元信息接口类型,便于复杂航天器信息网络架构的统一.在空间站系统建立了覆盖系统级㊁航天器级㊁分系统级和单机级的产品保证组织体系,建立专职产品保证队伍,包括产品保证管理㊁技术风险管理㊁技术状态管理㊁产品验收管理㊁可靠性安全性维修性保证㊁元器件保证㊁材料和工艺保证㊁软件产品保证㊁地面支持设备保证９个方面,覆盖研制全周期,组织机构如图３所示.图３㊀天宫空间站产品保证组织机构体系F i g ３㊀S y s t e mo fT i a n g o n g s p a c e s t a t i o n p r o d u c t a s s u r a n c e o r ga n i z a t i o n ２ ４㊀逐步递进发展我国是在经过空间实验室阶段任务㊁突破交会对接等关键技术的基础上,经充分地面试验验证,引入新技术进行天宫空间站的建造,走出了一条稳健的跨越式发展道路.新技术比重大是天宫空间站的显著特征,空间机械臂技术㊁物化式再生生保技术㊁大面积柔性太阳翼技术等均为我国首次在轨开展应用的全新技术,应用难度大㊁研制风险高.针对此问题,空间站系统开展了方案深化论证,做到关键技术突破见底㊁系统方案扎实落地.在工程发展方面,天宫空间站阶段分为关键技术验证㊁组装建造㊁应用与扩展３个任务阶段.利用核心舱㊁载人飞船和货运飞船,对空间站建造及后续阶段所需技术进行在轨飞行验证.验证并评估技术性能满足要求后,再进行空间站三舱的组装建造,继而开展在轨应用.整个过程逐步开展㊁稳步推进.在天宫空间站系统内部,也是按照逐步开展㊁稳步推进的策略开展研制,并逐级提高技术成熟度.例如,在关键技术验证阶段,依托核心舱机械臂㊁核心舱太阳翼经在轨测试验证后突破的空间机械臂技术㊁大面积柔性太阳翼技术,为问天实验舱所携带的实验舱机械臂㊁实验舱太阳翼㊁对日定向装置等产品２１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀。
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北京空间飞行器总体设计部开放课题
1. 课题背景
北京空间飞行器总体设计部是中国航天科技集团公司的一家研发机构，负责空间飞行器的总体设计和研发工作。
为了提高科研创新能力和推动技术进步，该部门决定开放一些课题供外界参与。
2. 开放课题的意义
•促进技术交流与合作：通过开放课题，可以吸引更多国内外专业人才参与，促进技术交流与合作，实现优势互补。
•提高创新能力：外界参与可以带来新的思路和观点，有助于激发内部研发团队的创新能力。
•加快技术进步：开放课题可以借助更广泛的力量推动科技进步，加快空间飞行器相关技术的发展。
3. 开放课题范围
北京空间飞行器总体设计部将开放以下几个方面的课题：
3.1 空间飞行器整体设计
•包括但不限于载人航天器、卫星、探测器等空间飞行器的整体设计。
•主要涉及载荷布局、结构设计、动力系统设计等方面。
3.2 载荷布局与集成
•研究如何优化载荷布局，提高空间飞行器的工作效率。
•探索载荷集成技术，实现多种载荷在同一空间飞行器上的协同工作。
3.3 结构设计与分析
•研究新型材料在空间飞行器结构中的应用，提高结构强度和轻量化程度。
•开展结构分析与仿真研究，确保空间飞行器在各种工况下具有良好的性能。
3.4 动力系统设计与优化
•研究新型动力系统技术，提高空间飞行器的推进效率和可靠性。
•优化动力系统参数配置，实现最佳性能。
4. 参与方式
4.1 申请条件
•具备相关领域的专业知识和技术背景；
•具备一定的科研或工程实践经验；
•具备良好的团队合作精神和沟通能力。
4.2 报名流程
1.访问北京空间飞行器总体设计部官方网站，下载并填写申请表格。
2.将填写好的申请表格发送至指定邮箱。
3.经过初步筛选后，将收到通知进行面试。
4.3 课题开展方式
•参与者将被组织成小组，每个小组由一名北京空间飞行器总体设计部的研发人员带领。
•小组成员将共同进行课题研究，包括文献调研、理论分析、实验验证等环节。
•研究成果将以论文形式提交，并进行评审。
4.4 课题期限和奖励
•课题期限为6个月，期间需要按时完成各项任务和进度。
•完成课题并通过评审的参与者将获得相应的证书和奖励。
5. 总结
通过开放课题，北京空间飞行器总体设计部希望能够吸引更多专业人才参与到空间飞行器相关技术的研发工作中来，借助外界力量推动科技进步。
同时也为参与者提供了一个锻炼和展示自己能力的机会。
希望通过这一举措，能够促进技术交流与合作，推动空间飞行器技术的发展。