中国空间科学技术

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Microwave power transmission technologies for space solar power station

YANG Bo, SHINOHARA Naoki

2025 (2): 1-14. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0017

摘要 ( 295 )

PDF(5906KB) ( 66 )

The microwave wireless power transmission technologies for space solar power station are a crucial field in the international space sector, where various countries are competing in its development. This paper surveys the research experiments and development efforts related to space solar power stations and microwave wireless power transmission technologies worldwide. The objective is to assess the progress and current state of this technological foundation, determine the necessary focus for developing high-power microwave wireless power transmission technology, and provide clarity on the direction of future technology development in these areas. Finally, a distributed space solar power station plan that is immediately feasible is proposed.

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基于补偿优化的离轴共轭式聚光优化方法

张彦龙, 李丽芳, 夏舟, 郭朋真

2025 (2): 15-24. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0018

摘要 ( 161 )

PDF(9112KB) ( 44 )

随着空间太阳能电站的发展，高效能和零遮挡的太阳能聚光器需求不断增加，然而现有技术在焦斑均匀性和像差控制方面仍存在诸多挑战。为了解决这些问题，提出了一种口径为500mm、焦径比为3的离轴共轭式点聚焦太阳能聚光器及其光路优化方法。该聚光器由离轴主镜、共轭镜、平面反射镜和定日跟踪机构四部分组成。离轴主镜提供主要的光学参数，共轭镜用于像差补偿，平面反射镜实现精准定位。通过几何构造方法对反射面的面型进行调整，构建精确的数学模型，并采用光线追迹方法分析光路。针对主要像差构建优化函数，利用点列图和辐照图分析焦斑形状变化规律，并通过调整离轴主镜和共轭镜的反射面面型，有效地减小像差，提高聚光比。在正入射和多角度入射条件下进行了详细的光学仿真，以优化光路设计。在室外-10℃环境下进行的聚光实验证明了该系统的像差补偿效果，光学聚光比超过100，焦点最高温度达到372℃。研究结果表明，离轴共轭式聚光方法通过多层次的优化手段，实现了零遮挡、高聚光比和高精度的聚光效果，在空间太阳能系统中具有显著的应用潜力，为未来的太阳能利用技术提供了新的解决方案。

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真空中温度对柔性环滚动载流摩擦性能的影响

宋晨飞, 王炳辉, 刘自立, 侯欣宾, 张永振

2025 (2): 25-32. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0019

摘要 ( 179 )

PDF(10899KB) ( 26 )

由内滚道、外滚道和柔性环构成的载流摩擦副是空间旋转电传输机构的导电核心部件。为研究真空温度对柔性环传输性能的影响，在1×10^-3Pa真空、-30℃~120℃温度范围内开展了柔性环滚动载流摩擦磨损试验。随着温度由-30℃增加至120℃，稳态平均摩擦力从3.96N降低到1.48N，预紧力从6.8N下降至5.9N，平均接触电阻和磨损量并无明显变化。微观形貌显示磨痕宽度从47.37μm增加至66.71μm，磨损区域粗糙度从0.45μm下降至0.25μm。材料高温软化引起的摩擦区域挤压变形是磨痕宽化的主要原因，材料软化及其诱导的磨痕宽化导致柔性环预紧力衰退。

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轻质量大算力“天算计划”底层数据平台设计与应用

肖舸, 刘艺博

2025 (2): 33-41. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0020

摘要 ( 156 )

PDF(3115KB) ( 53 )

空间太阳能开发与利用的设想正在逐步成为现实，对于星地能量传输支撑的用能方式，损耗以及对环境的影响不可避免。若能将这些原本会损耗的电能加以利用产生价值，就能有效提升空间太阳能电站电能的利用效率。在太空中建立轻质量、大算力、高效能的数据处理中心，直接使用空间太阳能电站的一部分电能，对来自卫星、地面站等数据源的空间数据进行计算处理的“天算计划”理念应运而生。天算计划的工程实现，必须解决如何在有限硬件资源下提供尽可能高的底层数据能力支撑这一问题，目前少见有效的解决方案。设计了“软超算”平台，基于高性能实时数据库软件NoSQLt，充分发挥其体量小巧、跨平台支持能力强、性能不依赖硬件的特点，直接把数据库作为数据载体，提供高并发、高吞吐的数据支持能力，以软件能力充分发挥硬件算力，从而利用部署在太空中有限的硬件资源实现高效率的数据处理功能。基于NoSQLt的诸多应用案例已经证明了软超算平台的可行性，在普通台式机和树莓派4B硬件平台上，分别实现了530万笔/秒和115万笔/秒的数值型数据的并发吞吐能力，提出了“单位吞吐能力”这一新的数据中心能耗评估指标。通过验证测试证明了NoSQLt数据库在有限硬件资源下的高效性，为将来天算计划的落地应用提供了底层能力保障。

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柔性航天器动力学方程一般形式的工程简化方法

邹元杰, 邓润然, 史纪鑫, 葛东明

2025 (2): 70-78. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0024

摘要 ( 155 )

PDF(4848KB) ( 89 )

在完备的柔性航天器动力学二阶微分方程一般形式的基础上，提出一般方程的工程简化方法。首先，采用平动集中质量方法对相关积分项进行了简化处理，忽略单元自身转动惯量对总惯量的影响以及板壳单元、梁单元等转角运动的影响，将体积分运算统一转化为节点相关变量与平动质量乘积的求和运算；其次，依据“小变形假设”，对含结构变形参量的方程系数矩阵进行简化，忽略结构振动位移对节点位置矢量的影响，使非线性系数矩阵转化为常系数矩阵。通过简化处理，柔性航天器动力学方程一般形式的所有项均被保留，而其积分项和系数矩阵的计算，在满足工程精度要求的前提下得到大幅简化，便于编程实现和工程实施。提出的工程简化方法主要用于柔性航天器在大范围、复杂运动过程中的动力学仿真分析，后续可以由单体动力学进一步拓展至多体动力学，解决在轨组装航天器、空间机器人/机械臂等空间结构系统的柔性多体动力学问题。数值算例验证了工程简化方法的合理性和有效性。

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航天器柔性太阳电池板在轨热分析与验证

黄洪昌, 李君兰, 王成, 申绪男, 张肖君, 张大卫

2025 (2): 79-87. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0025

摘要 ( 197 )

PDF(5756KB) ( 255 )

为预测航天器柔性太阳电池板在轨工作温度及分布情况，分析了太阳翼经历的空间外热流环境，计算出柔性基板正背面热流载荷随轨道周期性的变化情况。考虑太阳电池阵最佳工作点状态和开路状态两种典型发电工况，采用有限元方法计算出太阳电池和柔性基板工作温度随轨道周期性变化规律，与空间站温度遥测数据进行了比对，验证模型和计算方法的准确性。重点分析了不同功能区域热物理性能对柔性太阳电池板温度分布的影响，比对分析两种工况的结果，得出太阳电池和基板吸收系数差异将导致在柔性基板的贴片边界处存在较大的温度梯度，也是可能诱发柔性基板发生热变形的主要影响因素。

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月基平方公里阵射电望远镜天线方案设想

刘佳, 万继响, 吴春邦, 王浩, 张乔杉, 郭诠, 张鹏飞, 姜明

2025 (2): 88-93. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0026

摘要 ( 215 )

PDF(4985KB) ( 172 )

由于地球电离层的吸收或者反射效应、以及地球表面极其拥挤的低频射电干扰源的影响，使得地面天文台对超长波谱段（0.1～30MHz）的射电信号探测极其困难，而已发射的轨道探测器又无法满足高分辨率、高灵敏度的观测需求。提出了一种月基平方公里阵射电望远镜天线方案设想，分别从科学目标分析、技术指标论证、总体技术方案，以及工程实施方案设想等几个方面进行详细的论述，并给出相应的技术路线及实现途径，旨在为中国未来空间超长波射电天文观测领域发展提供有力的技术支持。

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空间光学遥感相机伸展支撑机构设计与分析

王庆雷, 陈亚新, 张鑫, 杨路伟, 孙德伟, 黄巧林, 史创, 蔺宇辉

2025 (2): 94-102. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0027

摘要 ( 110 )

PDF(5170KB) ( 26 )

相机伸展机构展开锁定后需要能够获得并保持足够的刚度及尺寸稳定性，同时针对特定空间光学遥感相机高精度高展收比的需求，设计了一种采用高刚度涡卷弹簧来实现铰链间隙消除及展开后结构高刚度保持的一维空间光学遥感相机高精度高展收比伸展支撑机构。该伸展支撑机构采用涡卷弹簧驱动折展杆来实现机构展开，控速机构控制展开速度，展开后通过铰链定位面定位，涡卷弹簧剩余驱动力和张力索保持刚度。开展了伸展支撑机构的展开动力学分析、模态分析、考虑构件长度误差与铰链回转间隙的展开精度分析、工作环境下的热变形分析。设计完成相机伸展支撑机构，该机构展开基频在20Hz以上，对伸展机构样机进行了地面重复展收精度测量，展开精度优于±0.05mm，伸展支撑机构性能良好，满足空间光学遥感相机特殊任务需求。

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离子液体电喷推力器仿真及性能优化分析

潘宁, 耿海, 郭宁, 曲富饶, 雪佳强, 孟伟, 刘坤

2025 (2): 103-113. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0028

摘要 ( 27 )

PDF(5825KB) ( 24 )

随着航天技术的发展，离子液体电喷推力器(ILET)因其高效、稳定性较好的特性逐渐受到重视。为了研究ILET的性能上限，有必要深入探究其喷射特性，进而确定工艺参数和结构参数的最佳参数组合。基于电场与流场相耦合的方法对ILET喷射过程进行模拟，采用响应面法(RSM)对性能参数进行分析，进一步得到最佳操作参数和结构参数。发射极直径为20μm，高度为119.384μm，流量为3.45×10^-2nL/s，电压为2188.249V时，最大推力为1.464μN；直径为48μm，高度为119μm,流量为1.9×10^-2nL/s,电压为2600V时，最大比冲为1077.543s。结果表明仿真与模型得到的相关结果与实验结果基本吻合，误差范围均在5%以内，验证了该模型的可靠性。创新性地将电场与流场耦合方法和响应面法相结合，不仅提升了分析精度，也为类似复杂系统的性能评估开辟了新的研究途径。此外，这一研究为ILET在航天领域的应用提供了坚实的理论基础，展现了其在未来航天任务中的广泛应用潜力。

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基于虚拟同轨网络的星间组网通信系统设计

魏骁, 王朝, 孙天旭, 叶葆巍, 张博

2025 (2): 114-123. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0029

摘要 ( 37 )

PDF(8158KB) ( 24 )

针对低轨Walker星座组网通信的应用背景，提出了一种基于分层分簇式路由协议的完整卫星组网通信系统架构，涵盖了网络层、数据链路层和物理层设计。为便于分析，首先建立了一种典型的低轨Walker星座模型，分析了其在不同轨道相位因子和轨道倾角下的轨道拓扑构型特性和卫星间的通信可见性。其次基于构建的星座拓扑提出“虚拟同轨”的概念，并利用“虚拟同轨”建立了双层环状网络。最后，针对此双层环状网络，在网络层、数据链路层和物理层分别给出了具体的设计方案，以实现同轨和异轨卫星的信息交互。设计的通信协议栈针对性地考虑了Walker星座的跨轨道信息传递调度问题，兼顾了传输效率和设计复杂度，对相似构型的其他Walker星座星间组网体系的设计具有一定参考价值。

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基于数据融合及GA-BP算法的GEO高能电子通量预测

陈建飞, 方美华, 吴康, 宋定一, 王彪

2025 (2): 124-132. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0030

摘要 ( 23 )

PDF(6241KB) ( 16 )

为了提高GEO大于2MeV电子通量提前一天的预测效率，采用基于模拟退火算法和最小二乘拟合的数据融合算法处理GOES系列卫星电子通量数据，以融合后的数据为基础建立遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)模型。模型输入参数包括太阳风速度、地磁指数（包括SYM/H、Ap、AU、AE、Dst）、大于0．6MeV电子积分通量和大于2MeV电子积分历史通量，各参数的时间分辨率均为日均值；同时以1999-2007年的数据为训练集，使用数据融合后的GA-BP模型预测2008-2010年的电子积分通量，将预测结果与其他经典模型的预测结果进行比较。结果表明：采用模拟退火算法将位于75°W区域的卫星数据投影到135°W区域，数据误差变小，融合效果更好；大于2MeV电子通量提前1天预测效率为0.863，最高预测效率可达0.931，优于以往很多模型的预测精度。

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一种单电子追踪微放电蒙特卡洛模拟计算

杨兆伦, 张雨婷, 万雪曼, 崔万照

2025 (2): 133-139. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0031

摘要 ( 22 )

PDF(5380KB) ( 14 )

对于新型卫星通信系统，更多用户、更多通道、更高比特率是未来的必然发展趋势，而微放电是限制大功率空间微波部件向更高功率容量发展的重要技术瓶颈。数值电磁计算可以较为准确的追踪电子运动轨迹和内部场的交互作用，并通过次级电子数目随时间的变化情况作为微放电阈值判据。以此提供了一种较为简化的二维计算模型，结合二次电子发射模型，可用于微波部件薄弱环节的快速计算。以窄间隙的平行平板结构为例计算说明，考虑了低能状态下的电子发射情况，并对一些计算细节进行了说明，将其预测阈值与其他模拟方法进行比较，误差在2dB以内，验证了该方法的有效性。

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基于侧摆角约束的低轨光学卫星成像概率分析

王中果

2025 (2): 140-149. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0032

摘要 ( 27 )

PDF(7375KB) ( 29 )

针对低轨光学卫星对地观测成像任务，研究了卫星姿态侧摆情况下对地球表面点目标的成像概率分布情况。首先，解析分析了成像概率密度函数与侧摆角的数学理论关系，并在此基础上给出了侧摆角区间内成像概率的通用公式；然后，对400km、500km、600km、700km、800km等5种轨道高度和30°、45°、60°等3种最大侧摆角，共15种组合工况的成像概率进行了理论分析和STK仿真分析；最后，对比分析了理论结果和仿真结果。数据对比结果表明，该理论分析公式准确性较高，绝大多数情况相对误差不超过2%，可用于低轨光学卫星成像概率的快速估算，有效降低卫星多方案对比分析论证时的工作量。

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微重力环境电解制氧系统临界运行条件与供水优化研究

朱凤, 焦飞飞, 王飞, 李森, 王秀珍, 王双峰

2025 (2): 42-50. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0021

摘要 ( 39 )

PDF(11360KB) ( 13 )

电解制氧系统的稳定运行关系载人航天器内部氧气的稳定连续供应，电解系统临界运行条件是系统安全稳定运行的基础。研究微重力条件下电解制氧芯体单池和电解堆运行时的临界供水量和临界工作电流，并通过改进电解堆局部结构提出了供水优化方案。利用流体动力学模拟软件开展数值模拟，采用气液混合两相流动模型描述电解芯体内的流动过程。研究结果表明，无论对于电解池单体还是电解堆，当工作电流一定时，存在极限供水量，当供水量小于该值时，芯体内部出现局部缺水现象。对于特定的供水量，存在临界工作电流，当电流大于临界值时，芯体内部局部缺水。通过增加供水管径可明显改善多层芯体流量分配的均匀性，随着直径的增加，最小水流量与平均流量的比值线性增加，最大流量与平均流量的比值线性减小，直径增加75%时，最小流量与平均流量的比值增加约39%，最大流量与平均流量的比值降低约30%。进出口在电解堆同侧时水量分配的均匀性更好，相同供水量时，最大水量与平均水量之比可降低30%以上。研究工作可为载人航天器电解槽的安全运行提供参数建议，为系统优化设计提供依据。

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近壁防晃隔板对空间低温推进剂贮箱自增压过程的影响

魏列, 杜王芳, 何发龙, 李凯, 赵建福

2025 (2): 51-60. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0022

摘要 ( 40 )

PDF(5776KB) ( 13 )

空间低温推进剂贮箱长时间在轨运行期间，往往因壁面漏热使得贮箱内低温推进剂持续蒸发，引起贮箱内压力不断升高（即自增压现象），危及贮箱及航天器安全。为防止液体大幅度晃动，大尺度的空间贮箱内部会设置防晃隔板，后者可能对贮箱内气液流动与传热产生明显影响。采用VOF方法数值模拟了近壁防晃隔板对贮箱内气液两相流动及其热力学过程的影响，以便揭示防晃隔板对贮箱自增压过程的影响机制。不同重力环境部分充液贮箱内有无近壁隔板情形中液体晃动与热力学特征的数值模拟结果表明:贮箱内液面形貌决定于Bond数，远大于1的Bond数条件下液面基本保持水平，而Bond数小于1时液面会沿贮箱壁面爬升；近壁防晃隔板能够显著减少贮箱内工质质心的波动幅度；当近壁防晃隔板位于液面下方时，能阻碍近壁区液体暖流的上升，使得近壁区的液面温度偏低，自增压速率明显低于无隔板贮箱。最后，基于对近壁防晃隔板尺寸影响的仿真分析和比较，给出了不同重力条件下近壁防晃隔板的推荐结构。研究结果可以为空间贮箱流体管理技术的方案设计提供有价值的参考。

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金属多孔阵列结构的毛细性能实验

易天浩, 加欢, 林奕霖, 汪彬, 姜梦怡, 吴静怡, 杨光

2025 (2): 61-69. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2025.0023

摘要 ( 48 )

PDF(8500KB) ( 27 )

多孔结构中液体的毛细流动性能是决定微重力条件下液体推进剂能否稳定获取的主要因素之一。通过3D打印制备微柱间距范围50~110μm的多层不锈钢多孔阵列结构，借助显微镜对其内部结构和表面形貌进行表征，采用红外热像仪记录HFE7500、无水乙醇和乙二醇等工质在多孔阵列结构内的动态毛细爬升过程，得到了不同液体的毛细爬升曲线，进一步分析得到多孔阵列结构的毛细性能参数。结果表明，在微柱间距50~110μm范围内，随着微柱间距增大，其孔隙率不断增大，毛细爬升速度越快且最终爬升高度越大，微柱间距110μm的最大爬升高度是微柱间距50μm的最大爬升高度的2.34倍左右；对于同一多孔阵列结构，无水乙醇的毛细爬升速度最大，其次分别为HFE7500和乙二醇。多孔阵列结构微柱间距越大，毛细性能因子越大，微柱间距110μm的多孔阵列结构具有最佳的综合毛细性能。本研究为多孔结构气液分离装置的设计提供了参考。

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