全太阳系深空探测轨迹全局优化(英文)

针对太阳系中全部的248997颗行星的探测问题,给出了一种关于探测飞行器的深空探测全局四维轨迹(t,x,y,z)优化方案,即飞行器从地球发射进入太阳系并采用小推力控制,优化方案的性能指标为飞行器与太阳系中全部行星中相遇和交会的星的数量最多并且燃料消耗最少。本方案给出了四维飞行轨迹进行全局优化的一套算法,该算法由搜索算法和四维轨迹优化算法组成。此搜索算法从太阳系的248997颗行星中寻找获得尽可能多的经过近地球3维走廊内的行星;而四维轨迹优化算法由改进的动态规划算法、基于最优控制理论的共轭梯度算法和静态参数优化算法组成,其中静态参数优化算法用于搜索最优发射时间窗口。基于该组合算法,通过长时间的大规模的飞行数字仿真,最终计算出探测器的四维最优飞行轨迹,在一年内路过了太阳系中全部行星中的12颗行星。     

变构型跨介质飞行器发展及关键技术分析

变构型跨介质飞行器就是既能满足在水下航行又能满足在空中飞行要求的飞行器,在具备水下航行隐蔽特性的同时也满足在空中飞行的机动性和灵活性要求。变构型跨介质飞行器可以通过改变其翼型结构适用于空气中与水中航行。该飞行器结合了无人机和潜艇的优势,可以实现多次出入水跨介质作业,在军事领域应用于战场关键信息侦察、突防和精确打击,在民用领域应用于海上灾难救援、深海地质探测等。从军事和民用方面分析了变构型跨介质飞行器的优势及用途,总结了国内外变构型跨介质飞行器发展现状,针对性地梳理了关键技术和难点问题,在此基础上提出了技术发展建议,为后续跨介质飞行器研究工作提供支撑。     

先驱者10号重获新生

从1958年10月到1973年4月,美国航宇局为了探测月球、行星际空间和外行星,共发射了11颗先驱者号探测器,其中1972和1973年发射的先驱者10号和11号对木星和土星进行了探测,是最早探测这两颗行星的太空飞行器。先驱者10号是1972年3月2日发射的。它于1973年12月3日从距木星13万公里的地方飞过,进行了所谓的飞越式探测。由于只是路过,而不是进入木星轨道,所以该探测器此后仍一直不停地向前飞行着。目前它距太阳     

先驱者10号重获新生

从 1958年 10月到 1973年4月 ,美国航宇局为了探测月球、行星际空间和外行星 ,共发射了11颗先驱者号探测器 ,其中 1972和 1973年发射的先驱者 10号和11号对木星和土星进行了探测 ,是最早探测这两颗行星的太空飞行器。先驱者 10号是 1972年 3月2日发射的。它于 1973年 12月 3日从距木星 13万公里的地方飞过 ,进行了所谓的飞越式探测。由于只是路过 ,而不是进入木星轨道 ,所以该探测器此后仍一直不停地向前飞行着。目前它距太阳约 10 9.2亿公里 ,是日地间距离的近 74倍。尽管已离家非常遥远 ,而且“年事已高”,但该探测器仍一直在向我们提供着…     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

用于冥王星的快速绕轨飞行器小推力发动机部件

冥王星是太阳系中我们飞行器没有到达的唯一一颗行星。最近,通过哈勃太空望远镜的观测,我们也只能瞥见冥王星及它的卫星——Charon,它们的体积小且离地球又很远,这就使得它们更加神秘莫测。为此,我们要研制一种新颖的冥王星飞行器,来面对今天这场行星使命的挑战:这种飞行器要求体积小、重量轻及成本低。实际上,初始设计的飞行器体积不超过旅行者飞船的四分之一。赁借为全面战略积极防御计划而掌握的小阀门技术,Moog 已为这种重110—164kg包括推进剂在内的飞行器研制了三种小部件:冷气推力室(7.5g),闭锁阀(60g)及调节器(300g)。本文介绍了每一个部件的设计细节和性能数据。     

类Clipper再入返回飞行器气动特性分析

针对类Clipper再入返回飞行器的气动特性,采用近似反设计的方法,在飞行器外包络等约束条件下,通过形状控制函数,计算出类Clipper飞船的气动外形。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,研究分析类Clipper再入返回飞行器在不同高度、不同马赫数和不同攻角下的全空域/速域气动特性变化规律,并结合不同飞行状态下的压心位置探讨飞行器的稳定性。结果表明:类Clipper再入返回飞行器在不同飞行状态下能够具有良好的气动特性,最大升阻比可达1.1以上,属于中等升阻比再入,总体呈现出良好的静稳定性,可在未来作为具有可重复使用再入返回飞行器的方案之一。     

高温燃气热环境加热特性的试验方法研究

简述了利用高温燃气流引射常温空气对近空间高超声速飞行器头锥部件进行地面热环 境模拟的实验方法,试验段高温燃气流引射常温空气使飞行器头锥部件达到驻点附近区域高 温而其余蒙皮表面低温的高超声速气动热分布特点。应用CFD计算流体力学软件FLUENT对试 验段头锥试件表面的流动加热特性进行了数值分析,得到了高温燃气引射常温空气在不同试 验设计条件下试件表面温度分布特点。数值模拟计算结果与飞行器在高超声速飞行状态下对 应机体部位气动热的理论计算值进行对比,证实利用高温燃气进行热环境模拟的方法是可行 的,为相关的热环境地面模拟设备方案论证提供依据。
     

航天器高温热密封设计方法及性能评价

针对先进航天器高温热密封设计领域缺乏系统的设计方法及性能评价准则的现状，基于飞行器热密封设计基本原理，通过理论分析及设计流程优化，设计并开展了高温热失重试验、高温压缩/回弹试验、高温摩擦/磨损试验、冲击和反复加载试验以及高温缝隙泄漏试验，获得了典型密封结构与密封材料的基本性能参数，并提出系统的高温热密封性能评价方法。在此基础上，利用电弧射流平台，对典型连接位置以及某折叠翼热密封设计方案的有效性进行了验证与性能评价，相关成果可为航天器高温热密封设计及性能评价提供理论基础与试验数据 支撑 。     

浮动提升式燃气阀启闭动态特性研究

高温燃气阀是固体飞行器姿轨控动力系统的重要控制装置。基于国内外燃气阀的研究,引入了静摩擦力和库伦摩擦力模型,设计一种浮动提升式燃气阀,采用动网格和UDF技术建立了燃气阀启闭过程中二维瞬态数值模型。计算结果表明,与普通喷管相比,该燃气阀内的流场不均匀性增加,阀门启闭过程中燃气阀及喷管内的流场变化是相近的,分析了在阀门启闭过程中不同开度下阀门流场内的亚音速回流区、流动分离以及激波分布情况,真实有效地模拟了燃气阀的启闭动态特性。仿真结果表明,该燃气阀结构合理,且可行性高。     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

航天飞机动力装置中气体发生器的新型组合阀门

Moog 公司空间产品部研制出一种新型的用于航天飞机轨道飞行器辅助动力装置(APU)中的推进剂组合控制阀门,该系统需要一个工作介质为肼的组合阀门,这种组合阀门要求能够承受11MPa 的工作压力且不受压力波动的影响,工作寿命高达450000次以及要求阀门出口能够抵抗恶劣的化学环境的影响。组合阀门的设计难点在于:非焊接零件要求是可以拆御的并且允许返修后重新使用;薄壁零件因受到承压的限制而无法使用;承压焊接零件(线圈壳体)必须能够进行检查。更为团难的是阀门内部螺纹连接件的可靠锁紧问题,因为在组合阀门内部采用通常的打保险或开口销这样的锁紧技术是不合适的。阀座设计采用弹性支承结构,以减小阀门工作时作用在密封面上的冲击力,从而提高阀门在允许泄漏率下的工作寿命,此外,弹性支承阀座还可以产生约1°的补偿角度,使阀芯和阀座之间的密封面紧密贴合。组合阀门有三个阀座密封面采用“金属—金属”密封结构,这种密封结构允许存在一定的泄漏率,还有一个阀座密封面采用“金属—聚四氟乙烯”密封结构,它的液体泄漏率可以做到为零,但其工作寿命降到60000次。四个阀座密封面均有沿介质流动方向的密封泄漏率要求,其中三个阀座密封面还有沿介质流动反方向的密封泄漏率要求。试验结果表明:这种组合阀门的设计是成功的,获得了令人满意的动态特性(阀门的响应时间小于40ms),其中三个阀座的液体泄漏率不到其正常流量的0.04%,而另一个阀座的液体泄漏率为零。此外,组合阀门的工作寿命超出设计寿命的4倍(180万次)。     

用于ERIS的GPS转发器处理系统

本文描述基于转发器处理系统(TPS)的全球定位系统(GPS)的要求、设计特点及其能力。该转发器处理系统是由爱格林空军基地的靶场应用联合工程办公室(RAJPO)为美军战略防御指挥(USASDC)的重返外大气层再入飞行器拦截器子系统(ERIS)计划而建立的。TPS 为 ERIS 实验计划提供目标和拦截飞行器的实时位置和速度信息。为了实现这一目的,弹载转发器提供 GPS C/A 码 L 波段到 S 波段的信号转换,并重发给地面 TPS。地面发射机(GT)网用于增加 GPS 卫星(SV)覆盖域。TPS 测量包括“伪距离和”与“伪距离和的变化率”并借助 GPS 参考接收机(RR)进行差分 GPS 修正。快速相关捕获和快速付里叶变换(FFT)技术用于满足相当严格的性能要求。设计用于动态的和弹道飞行的两种卡尔曼滤波器,来满足目标和拦截器的不同精度要求。TPS 还有其它一些功能,例如,检前记录器(用于事后分析)和动态模拟信号源(用于飞行前检查)。     

高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5~8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%~31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。     

基于MOEA/D的三锥体拦截器气动外形优化设计

针对由临近空间拦截器飞行环境变化剧烈导致的热流密度过高等问题,提出一种多目标外形优化设计方法,并针对一种新型三锥体临近空间拦截器外形进行优化设计。首先,建立飞行器的气动、弹道、气动热等多学科分析模型,利用高斯-伪谱法计算拦截弹道,利用桥函数法建立气动模型,并利用Fay-Riddle方法估计气动热流密度。然后,以飞行器航程、总热流量和飞行时间为优化目标,采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)与伪谱法将该问题转化为一组单目标优化子问题,得到Pareto前沿并进行相关分析。最后,给出一个优于基准值,同时满足性能指标要求的新型外形。结果表明:该优化方法具有可实现性,为未来的飞行器设计提供了新思路。     

美国充气减速飞行器近地轨道飞行试验分析

<正>2022年11月10日,美国国家航空航天局（NASA）按计划完成了“充气式减速器近地轨道飞行试验”（Low-Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator,LOFTID）任务。LOFTID飞行器总质量约1088kg,充气展开直径约6.0m,再入速度8000m/s,再入段峰值温度约1650℃,峰值过载约9g。LOFTID飞行器从充气展开至顺利落入回收海域全程飞行约1h,圆满完成了近地轨道再入飞行试验。此次试验首次验证了第一宇宙速度再入返回气动减速技术,该任务的成功对开展以火星探测为代表的行星际任务具有重要的里程碑意义。     

21世纪的推进动力——RS-68

RS-68是世界上第一台基于成本作为独立变量(CAIV)而研制的液体推进系统,也是美国自20年前航天飞机主发动机(SSME)以来获取飞行许可的第一种新型发动机.洛克达因公司在一次性使用的推进系统方面具有超过50年的悠久的、成功的历史,如红石超过85次的飞行、宇宙神超过569次的飞行、雷神/德尔它超过669次的飞行和土星/阿波罗的一、二、三级超过32次的飞行.当然,还有超过300台SSME的发射和一百万秒的试验这样无可匹敌的、可重复使用发动机飞行历史.     

单周期冲跃飞行轨迹性能参数影响程度分析

对高超声速飞行器的单周期冲跃飞行轨迹进行了研究。建立了动力学模型和约束条件。仿真分析了升阻比、初始速度和初始弹道倾角对飞行轨迹性能的影响,并讨论了影响程度,确定了适于该飞行器的最佳飞行走廊,为后续的冲跃飞行轨迹完整设计和优化提供了参考。     

吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹优化

针对吸气式高超声速巡航飞行器建立了纵向平面内的二维轨迹优化模型(包括火箭助推段和吸气式飞行段),其中大气模型、气动力模型和发动机模型均建立了比较详细的模型,能够比较全面、准确地描述吸气式高超声速巡航飞行器的特征;基于配点法建立了适用于高超声速巡航飞行器助推-巡航轨迹优化的方法,在求解非线性规划时引入了规范化处理、稀疏分析和偏导数计算方法等,以提高优化效率;对吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹进行了优化研究,分析了典型设计参数变化对最优轨迹的影响。仿真结果表明:所建立的方法能够快速、高精度求解吸气式高超声速巡航飞行器轨迹优化问题,并且能够方便地分析设计参数变化对最优轨迹的影响,可用于吸气式高超声速飞行器飞行剖面设计与优化。     

很有前途的舰载“Eager”飞行器诱饵

美海军研究实验室(NRL)电子战处的科学家,研制出Eager飞行器样机并首次通过飞行试验。NRL宣称,Eager的成功标志着具有“重大的原理性突破”,它将为海军提供一种可买得起的,有效的舰载防御手段。此诱饵为可回收的系留型,由此旋转翼飞行器供电,诱饵载荷为射频中继器。