卫星在轨加注技术

《卫星在轨加注技术》聚焦卫星在轨加注技术，按任务流程将其总结为“安全接近—可靠对接—稳定传输—精确测量”等过程，并以此为主线，分别提炼出近距离接近与避撞、空间软对接、流体传输与管理、剩余量与流量高精度测量、任务规划等工程问题和相应的刚柔耦合动力学、密封面分形理论、微重力流体特性、多物理场耦合等科学问题，系统阐述作者团队持续十余年理论攻关与工程实践的研究成果。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 卫星在轨加注概念内涵 2
1.2 卫星在轨加注系统组成 3
1.2.1 对接分系统 5
1.2.2 推进剂管理分系统 7
1.3 卫星在轨加注的效益分析 11
1.4 本书内容安排 13
参考文献 15
第2章 卫星在轨加注技术研究现状 18
2.1 卫星在轨加注空间试验总体情况 18
2.1.1 试验情况概述 18
2.1.2 试验情况分析 35
2.2 关键技术国内外研究现状 36
2.2.1 近距离接近技术 36
2.2.2 空间对接技术 44
2.2.3 流体传输与管理技术 53
2.2.4 推进剂高精度测量技术 57
2.3 本章小结 64
参考文献 65
第3章 空间目标近距离接近与避撞控制 70
3.1 近距离相对运动动力学 70
3.1.1 坐标系定义及转换 70
3.1.2 基于对偶四元数的相对运动模型及分析 73
3.1.3 相对运动误差模型及其线性化 79
3.1.4 相对运动模型线性化 82
3.2 近距离飞行碰撞风险评估 83
3.2.1 问题描述 84
3.2.2 常用碰撞风险评估方法 85
3.2.3 基于性能参数的碰撞风险评估方法 89
3.3 近距离操作动态智能防撞控制 94
3.3.1 问题描述 94
3.3.2 动态智能防撞控制算法 95
3.3.3 仿真分析 100
3.4 卫星避撞机动姿轨耦合控制 104
3.4.1 问题描述 104
3.4.2 规避方案描述 106
3.4.3 控制器设计 107
3.4.4 仿真分析 112
3.5 本章小结 118
参考文献 119
第4章 基于结构变形的软对接动态接触理论 121
4.1 变分不等式接触基本原理 122
4.1.1 接触约束条件 123
4.1.2 变分不等式接触基本方程 124
4.1.3 数值求解方法 128
4.1.4 仿真算例 133
4.2 基于变分不等式接触原理的软对接动力学模型 140
4.2.1 软对接动态接触模型 140
4.2.2 结果与讨论 148
4.3 本章小结 152
参考文献 153
第5章 真空条件下接口密封与泄漏理论 156
5.1 密封端面形貌的分形表征 157
5.1.1 分形几何简介 158
5.1.2 表面形貌的分形表征 158
5.1.3 具有自仿射分形特征的密封表面数值模拟 164
5.2 考虑尺寸效应的端面密封接触力学 167
5.2.1 接触问题的多尺度力学模型 167
5.2.2 密封面塑性变形对接触行为的影响 182
5.2.3 表面黏着力对密封接触行为的影响 185
5.2.4 端面密封接触理论模型仿真验证 190
5.3 端面密封泄漏孔道的输运性质 201
5.3.1 泄漏孔道中流体流动的多样性 201
5.3.2 泄漏孔道中的连续压力流 204
5.3.3 端面密封流体泄漏率逾渗模型 211
5.3.4 端面密封泄漏影响因素分析 214
5.4 本章小结 221
参考文献 222
第6章 微重力条件下板式贮箱内推进剂流动特性分析 224
6.1 表面张力流动的基本理论 224
6.1.1 表面张力作用 224
6.1.2 内角流动理论概述 228
6.2 微重力下内角自流研究 231
6.2.1 不对称内角模型 232
6.2.2 液面特征参数求解 233
6.2.3 不对称内角流动过程计算 233
6.2.4 内角自流落塔试验 242
6.3 微重力下内角过流稳定性研究 246
6.3.1 内角过流的基本概念 246
6.3.2 内角过流控制方程与求解 248
6.3.3 内角过流试验验证 257
6.4 基于内角流动理论的板式贮箱设计 261
6.4.1 贮箱结构设计 261
6.4.2 导流板布局设计与优化 261
6.4.3 导流板构型设计与优化 266
6.4.4 贮箱设计实例 270
6.4.5 推进剂加注过程仿真 274
6.5 本章小结 275
参考文献 276
第7章 微重力条件下多孔介质中的液体输运特性 279
7.1 基于随机几何理论的多孔介质结构特征 279
7.1.1 多孔介质结构特征统计模型 279
7.1.2 多孔介质孔隙的分形分布特性 284
7.1.3 多孔介质结构特征建模 285
7.2 多孔介质过流特性与润湿特性 292
7.2.1 多孔介质过流特性 292
7.2.2 多孔介质润湿特性 296
7.3 微重力条件下多孔介质中的毛细流动 302
7.3.1 多孔介质中的毛细流动模型 302
7.3.2 模型求解及分析 304
7.3.3 微重力条件下大颗粒大孔隙率多孔介质中的毛细流动 309
7.3.4 液体在多层多孔介质中的毛细流动过程分析 316
7.4 卫星贮箱多孔介质气液分离装置设计与试验 324
7.4.1 气液分离装置设计 324
7.4.2 气液分离装置数值仿真 327
7.4.3 气液分离装置地面试验 334
7.4.4 气液分离装置落塔试验 336
7.5 本章小结 339
参考文献 340
第8章 贮箱内推进剂剩余量精确测量 343
8.1 微重力条件下推进剂量测量的特点 343
8.1.1 微重力影响分析 343
8.1.2 低温推进剂贮存 344
8.2 体积激励法测量推进剂量的原理与数值仿真 345
8.2.1 测量方法分析 345
8.2.2 体积激励法的测量原理 348
8.2.3 影响体积激励法测量的因素及修正 349
8.2.4 其余影响因素讨论 355
8.2.5 测量系统的误差分析 361
8.2.6 贮箱体积激励过程仿真 362
8.3 低温推进剂贮存的压力与温度控制方法 372
8.3.1 物理及数学模型 373
8.3.2 壁面肋片对压控的影响性分析 375
8.3.3 排气降压 383
8.4 低温推进剂贮存中的液体量测量方法 388
8.4.1 试验系统设计 388
8.4.2 试验方案及流程 390
8.4.3 试验结果与讨论 391
8.4.4 贮箱非接触式测量的影响 397
8.5 卫星姿态干扰和贮箱漏热对液体量测量的影响分析 402
8.5.1 卫星姿态干扰对体积激励法测量的影响 402
8.5.2 贮箱漏热对体积激励法测量的影响 412
8.6 本章小结 418
参考文献 418
第9章 推进剂流量高精度测量技术 420
9.1 超声波流量测量方法 421
9.2 基于侧音技术的流量测量方法 426
9.2.1 侧音技术解相位模糊 429
9.2.2 锁相环技术跟踪相位 431
9.3 传播时间法对比分析 436
9.3.1 直接时间测量法 438
9.3.2 互相关法 438
9.4 本章小结 440
参考文献 441
第10章 气液两相流特性分析与检测 442
10.1 流场中气泡的动力学特性分析 443
10.1.1 流场中气泡的非线性振动 443
10.1.2 气泡动力学模型的线性化分析 452
10.2 声波在气液两相流中的传播 456
10.2.1 气液两相流中的声波传播方程 456
10.2.2 两相流中的声衰减系数与等效声速求解 459
10.3 超声波两相流含气率检测方法 465
10.3.1 单频声波幅值衰减法 466
10.3.2 双频声波幅值衰减法 469
10.4 超声波两相流含气率检测试验 471
10.4.1 试验原理 472
10.4.2 试验方案 472
10.4.3 试验内容 477
10.4.4 试验结果 482
10.5 本章小结 486
参考文献 486
第11章 卫星在轨加注任务规划 488
11.1 共面圆轨道卫星群P2P在轨加注任务规划 489
11.1.1 问题描述 489
11.1.2 问题分析与建模 490
11.1.3 模型分析与简化 493
11.1.4 求解策略 495
11.1.5 仿真分析 496
11.2 考虑摄动与复杂约束的LEO卫星群P2P在轨加注任务规划 498
11.2.1 问题描述与分析 498
11.2.2 复杂约束条件下多阶段交会任务分析 499
11.2.3 复杂约束条件下多阶段交会任务优化模型 502
11.2.4 复杂约束条件下多阶段交会任务优化策略 505
11.2.5 复杂约束条件下多阶段交会任务仿真分析 508
11.2.6 考虑摄动与复杂约束的P2P在轨加注任务规划仿真分析 513
11.3 目标不确定的GEO卫星群一对多在轨加注任务规划 515
11.3.1 问题描述与分析 515
11.3.2 基于混杂优化控制理论的任务规划模型 516
11.3.3 模型求解 522
11.3.4 仿真分析 524
11.4 混合模式下GEO卫星群在轨加注任务规划 529
11.4.1 问题描述与分析 530
11.4.2 成本与收益模型 530
11.4.3 优化模型建模 534
11.4.4 模型求解 536
11.4.5 仿真分析 539
11.5 考虑位置优化的GEO卫星群多对多在轨加注任务规划 546
11.5.1 问题描述与分析 546
11.5.2 优化模型 548
11.5.3 求解方法 550
11.5.4 数值仿真 552
11.6 本章小结 559
参考文献 559
第12章 卫星在轨加注技术总结与展望 561
12.1 卫星在轨加注关键技术总结 561
12.1.1 近距离接近技术 561
12.1.2 空间对接技术 562
12.1.3 流体传输与管理技术 563
12.1.4 推进剂高精度测量技术 563
12.1.5 卫星在轨加注任务规划 564
12.2 卫星在轨加注技术发展展望 565
12.3 对我国卫星在轨加注技术发展的启示 567
索引 570
后记 573