针对地月空间发展的关键工程与技术问题,从地月空间运输、月球和小天体资源、月面机器人、地月空间经济圈等角度开展了研究。地月空间运输分为天地往返、地月转移和月面升降等阶段,需要根据不同阶段的环境特征发展不同的飞行器、运输方式和重复使用方案,并考虑地球空间站与载人月球探测的一体化设计。地球静止轨道是理想的地月空间工业园区,月球空间的真空、低重力、低温以及充足太阳能等条件为发展磁悬浮、太空电梯、天钩等电气化运输提供了便利;面对严酷的月面环境和稀缺的人力资源,月面机器人将发挥先导性和主力军作用,用于基础设施建设、航天员陪伴与辅助、人机协作等。地月空间发展不仅仅是载人登月,而是以建立地月空间经济圈为目标,促使国家利益从地面、海洋延伸至地月空间,推动太空产业从围绕地球向围绕地月空间发展,加速人类社会由地球文明向太阳系文明迈进。
回顾长征八号系列运载火箭的发展,其研制定位填补中国太阳同步轨道3 t至4.5 t运载能力空白,并衍生出对3 t以下运载能力覆盖的无助推器构型,从而构成中国新一代主力中型火箭。在此基础上开展了长征八号改进型火箭的研制工作,进一步提升运载能力和缩短发射周期。文中介绍了长征八号基本型所突破的关键技术,以及探讨了改进型研制中在氢箱闭式自生增压、3.35 m直径PMI夹层氢氧共底贮箱设计等关键技术上的创新;并结合文昌商业发射工位的建设,对未来长征八号系列运载火箭的发展进行了展望。
载人月球探测任务需要数千吨运载火箭起飞规模才能将航天员和少量载荷送达月面,实现高效探测难度很大。以提升载人月球探测任务整体性能为目标,在总体层面开展设计理念、设计方法、模型优化和数据修正的系统分析,提出了基于概率的总体设计、船/器/箭一体化设计、基于数字模型的优化设计、基于实测数据修正的总体性能提升等总体技术,结合载人月球探测任务总体设计实践,总结了技术应用效果,指出了后续研究方向,对于提升载人月球探测整体性能、发挥探测效益具有重要支撑作用。
针对在产品可靠性极限基础上进一步提升航天运输系统飞行可靠性的问题,提出突破应用智能飞行技术以支撑航天运输系统更高质量发展的技术途径。为此总结划分了世界航天运输系统智能飞行技术发展的四个阶段,对标国际智能飞行技术先进水平分析了发展差距。据此制定中国航天运输系统智能飞行技术发展架构,构建了由“感知与监测-评估与决策-执行与处置”组成的功能层,明确了相应关键技术,分析了智能飞行技术对顶层总体设计准则和流程影响。最后对中国智能飞行技术发展进行了展望。
针对传统卫星总体和控制串行设计过程低效、设计性能受限、设计方案冗余等问题,提出了一种卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法。在轨道、结构、电源、推进等多学科耦合的传统总体设计模型基础上,将面向应用任务过程的卫星姿态控制仿真嵌入卫星多学科分析过程中,实现卫星总体方案与姿态控制的耦合精确分析和整体任务效能的综合评估,在此基础上进一步实现总体和控制的一体优化。最后,以某对地观测敏捷卫星为对象开展方法应用研究,优化结果表明所提方法获得了比传统设计方法目标函数性能更优、冗余度更低的设计方案,验证了卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法的可行性和有效性。
以提升运载系数为目标,结合总体设计的对象,从设计流程与优化对象出发,开展设计理念、约束边界、设计方法、辨识回归四个方面的梳理,构建总体技术体系。以体系为牵引,结合新一代运载火箭的研制实践,总结了安全余量打靶、环境主动控制、多专业联合优化、推进剂剩余量辨识等部分技术的攻关历程与应用效果,同时也指出了后续持续研究的技术方向,对支撑运载系数的提升具有重要意义。
聚焦月球探测和应用的前沿科学问题,基于载人航天和月球探测的技术能力以及月球与行星科学研究水平,围绕月球科学研究、月基科学研究和资源勘查利用3个方面,提出了载人月球探测任务的科学目标,包含9个顶层目标和38个具体目标。依据科学目标和国内外载人月球探测着陆区选择现状与发展趋势,提出了我国载人月球探测着陆区选择基本原则和流程。结合科学价值和载人登月任务的工程实施条件,提出了30个精选着陆区,并给出了后续确定着落区地址需考虑的因素。科学目标和着陆区选址建议是载人月球探测工程的重要牵引和顶层输入,将为工程的方案设计和后续实施提供支撑。
从动力学建模、姿态控制器设计和设计仿真技术方面系统地梳理了中国液体运载火箭姿态控制技术的发展历程,总结了当前运载火箭姿态控制技术发展面临的问题和挑战。根据国外运载火箭姿态控制技术的发展趋势,结合后续中国运载火箭发展的技术需求,对姿态控制技术的未来发展进行展望,提出了下一阶段姿态控制技术发展的5项重点研究方向。
针对国内外运载火箭分离技术进行系统研究,具体包含助推分离、级间分离、整流罩分离及有效载荷分离等四类形式。结合非火工分离机构技术发展需求,从连接形式与驱动能源两个方面对分离机构技术进行综合分析,对比分析了各分离机构技术特点,并对非火工分离机构产品发展趋势进行研究展望,旨在为运载火箭非火工分离机构技术创新与产品系统性发展提供参考。
针对固体运载火箭气动设计工作依赖风洞试验导致的成本高、研制周期长等问题,通过大量运用中国运载火箭技术研究院的自主可控工业软件,将仿真试验纳入火箭研制工作流程,大幅减少地面试验以提升设计效率,攻克了以大头颈比整流罩特殊气动问题为代表的诸多技术难题。聚焦捷龙三号火箭研制中替代部分地面试验的仿真技术,详细阐述仿真算法在气动力、对流换热、脉动压力等工程设计中的重要作用,为中国下一代运载火箭数字化转型的发展路线探索和战略规划提供参考。
针对空间站大规模空间应用和载人深空探测计划中天地往返运输成本高昂这一主要制约因素,在中国新一代载人飞船的研制过程中,为降低运行成本、提升经济效益,按照具备重复使用能力开展相关设计。首先提出了新一代载人飞船可重复使用模式的构想,对航天器重复使用的技术难点进行了分析,并从可重复使用条件设计、产品可重复使用性能设计、可重复使用维修保障性设计和自主健康检测及诊断设计4个维度给出了解决问题的技术途径,从而形成了新一代载人飞船可重复使用技术体系。本研究明确了新一代载人飞船可重复使用技术路线和实现方向,可用于指导开展未来可重复使用航天器研制,为大规模开发太空奠定基础。
2023年4月，美国太空探索技术（SpaceX）公司研制的两级完全重复使用太空运输系统“超重-星舰”进行了首次飞行试验，飞行中多台发动机出现工作异常，速度、高度严重偏离飞行剖面，最终在一级飞行段爆炸解体。结合调研获得的各类特征参数，首先对超重-星舰的首飞剖面进行了预示和反演设计，然后梳理了实际飞行中的各类异常事件，并对火箭各系统的工作情况和典型过程进行了复现，最后对其故障原因进行了分析和研判。
针对星舰航天器载人深空探测任务，概述了系统基本情况，介绍了SpaceX公司针对该系统支持载人月球、载人火星探测任务的初步方案，分别对星舰航天器飞行期间和星表停留期间的能力及性能需求进行分析，考虑实际工程情况估算了任务规模并总结了关键技术，最后针对载人深空探测提出了几点思考与建议，可为后续工程规划及方案论证提供参考。
对在轨集群操控任务计划相关研究成果进行了综述,并聚焦于在轨集群操控中的集群航天器型谱化设计、群体行为建模与智能涌现、集群自组网、集群智能感知、集群自主任务规划与分布式自主协同控制等关键技术,分别对这些关键技术进行了系统梳理与分类阐述,总结了其发展趋势;提出了一套面向大型空间设施在轨建造的集群操控体系能力框架。有望为未来大型空间设施在轨建造及集群操控发展提供借鉴和参考。
针对跨流域空气动力学理论的不完善、多物理非平衡效应耦合的跨流域流场高精度预示模型缺乏、大空域和宽速域流动控制难度大等问题,本文从气动布局、气动预示和气动优化三个方面对跨流域高速飞行器气动设计的研究现状进行了回顾,对气动设计中涉及到的难点和关键问题进行了思考,并提出了相关发展建议。
针对载人月球探测的顶层任务规划需求,提出了载人月球探测一体化任务规划设计方法。通过梳理和分解全任务飞行方案流程,提出一种基于环月轨道摄动的一体化任务规划方法,并识别出与顶层任务规划密切相关的3个关键设计约束,随后分别对光照、环月轨道以及返回着陆等约束展开分析。根据不同的时间尺度约束,逐步筛选出满足工程需求的任务月窗口、日窗口和时窗口。最后,在联合仿真平台上,对规划结果进行仿真验证。该方法解决了标称及推迟任务的综合窗口设计问题,同时也为大时间尺度范围内的快速规划提供了有效的技术途径。