点式连接航天器等效刚度模态分析方法

针对点式连接航天器受接触影响而产生的非线性特性,提出了利用线性等效刚度代替非线性刚度以计算点式连接航天器模态的分析方法。首先采用有限元软件对点式连接航天器的非线性刚度进行分析,并基于非线性振动和结构动力学的原理,建立了等效刚度的计算方法。将等效刚度代入广义弹簧单元,最终获得点式连接航天器的简化模型并分析其模态。模态分析结果与试验结果对比显示,相比于传统分析方法,基于等效刚度的简化模型精确地预测了点式连接航天器的模态,有利于提高点式连接航天器的动力学仿真分析精度。     

对接动力学仿真试验台再现频率指标验证

为验证对接动力学仿真试验台再现对接动力学过程中频率0~6 Hz相对运动的能力,用弹性棒方案再现频率0~6 Hz的碰撞过程,由建模与设计计算选定弹性棒的悬臂长度、刚度和航天器质量等设计参数,仿真分析了碰撞过程的接触碰撞力、变形量与速度,以及再现频率等的影响。结果表明:设计参数合理,精度考核方案可行。     

航天器姿态机动的鲁棒自适应控制器设计

针对存在未知惯量矩阵和外干扰力矩的刚体航天器姿态机动问题,将自适应反步法与非线性阻尼算法结合起来,提出了一种鲁棒自适应控制器。所设计的控制器实现了对航天器惯量参数的估计,克服了外干扰力矩引起的不确定性,保证了闭环系统的所有状态是全局一致最终有界的,使得航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的一个较小邻域。最后在Matlabs Simulink环境下对航天器姿态机动系统进行了仿真研究,仿真结果表明了提出的控制算法处理航天器姿态机动问题的有效性和可行性。     

航天器撞击解体碎片的短期危害评估

讨论了航天器与短期碎片云碰撞概率的计算流程。基于碎片云中碎片的数量、航天器的横截面积和碰撞概率风险阈值,提出了“风险区域判据”的方法,用于快速判断筛选航天器是否存在与碎片云碰撞的风险。推导了基于NASA标准解体模型的碎片分离速度概率密度函数,建立了计算航天器与单颗碎片碰撞概率的时间积分算法。针对在计算航天器与整个碎片云碰撞概率时的数据量无限制增长问题,提出了近似简化的“准平均概率”方法,有效地解决了计算速度的瓶颈问题。分析讨论了航天器与碎片云的轨道误差对计算碰撞概率的影响。最后,采用仿真算例进行计算分析与验证。     

对接过程中捕获锁质量和锁合面间隙影响分析

采用弹性接触动力学有限元和多刚体动力学方法分别对航天器对接接触碰撞过程和对接机构捕获、缓冲与校正过程进行了数值模拟,对比分析了捕获锁质量对捕获过程的影响及捕获锁锁合面间隙对捕获后对接过程的影响。从仿真结果可以看出,附加质量有利于主、被动对接环之间形成接触滑移,捕获后锁合面间隙引起两飞行器间相对速度震荡,并延迟了碰撞力和缓冲时间。     

主从式编队航天器连通性保持与碰撞规避

针对主从式航天器编队过程中存在的通信距离约束、航天器之间的碰撞以及空间干扰等问题，提出一种基于非线性干扰观测器和人工势函数的分布性协同控制方法。当初始通信网络连通时，通过在分布式协同控制器中引入吸引势函数，保证整个编队过程中通信网络始终是连通的。针对主航天器速度仅有部分从航天器直接可知的情况，为每一个从航天器设计分布式的速度观测器估计主航天器的速度，从而实现航天器之间的速度协同。此外，通过在控制器中引入非线性干扰观测器对外界干扰进行观测，显著增强了航天器编队的精度。仿真结果表明，本文提出的分布式协同控制方法不但能够实现对主航天器的速度跟踪以及航天器之间的队形保持，而且能够在编队过程中实现通信网络的连通性保持和航天器之间的碰撞规避。     

一种仿蝗虫腿空间缓冲吸附机构缓冲参数研究

针对空间机器人在太空高速工况下,难以平稳地着陆且黏附在目标航天器表面的问题,提出了一种仿蝗虫腿非合作空间缓冲吸附机构。为了得到机构最优的缓冲参数,使得其与目标航天器碰撞时不发生回弹且减小碰撞力以保护自身,提出了空间缓冲吸附机构碰撞缓冲的动力学模型,该模型研究方法基于连续碰撞力方程。通过对空间缓冲吸附机构的腿部胫节、股节以及整机的受力分析,求得其不同受力工况下的动力学方程。采用线性弹簧阻尼结构等效空间缓冲吸附机构碰撞缓冲过程,建立空间缓冲吸附机构碰撞动力学模型,并结合实际碰撞缓冲参数设计出空间缓冲吸附机构碰撞过程的刚度系数和阻尼系数。最后利用动力学仿真进行校验,结果表明用此方法,机构所受碰撞力大幅减小且不发生回弹,证明了方法的合理性。     

参数不确定挠性航天器的姿态跟踪控制

许多空间飞行任务需要挠性航天器的姿态跟踪控制。由于燃料消耗和柔性附件展开等原因,挠性航天器的惯量矩阵并非确定的常值矩阵,本文研究惯量矩阵未知时挠性航天器的姿态跟踪控制问题。基于惯量估计器设计了非线性反馈控制器,使航天器跟踪惯性空间的目标姿态角速度。通过构造Lyapunov函数并利用Barbalat引理证明了控制系统的全局渐进稳定性。最后进行了数值仿真以验证控制器的有效性。     

碰撞试验系统中加速度传感器特性仿真研究

航天器对接机构缓冲能力的强弱直接决定了航天器所受冲击的大小,因此对缓冲机构的性能进行测试/试验具有重要的意义。文章以赫兹弹簧阻尼理论为依据,通过仿真计算,分析了质量、速度对碰撞过程的影响;得到了加速度的频率特性;确定了碰撞试验系统中加速度传感器的选择原则。     

航天器着陆缓冲气囊技术发展

文章简述了航天器着陆缓冲气囊的吸能工作机理,介绍了它的优点和局限性,结合数十年来缓冲气囊在航天器上的主要应用情况,归纳了着陆缓冲气囊的三种类型,包括排气式、密闭式和组合式,其中排气式气囊由被动排气发展为主动精确可控排气,并介绍了缓冲气囊的几种拓展应用方向。针对航天器缓冲气囊技术的发展,文章对可靠充气技术、高性能气囊材料及结构成型技术、基于缓冲特性仿真的优化设计技术、缓冲过程精确控制技术以及大载重气囊试验技术等关键技术进行了论述。可以预见,航天器着陆缓冲气囊技术的深入研究对于载人航天、深空探测的发展将发挥更加重要的作用。     

金属膜片贮箱膜片的数值仿真与试验验证

金属膜片贮箱中,膜片工作过程的设计计算至关重要,其翻转过程涉及到材料非线性、几何非线性等强非线性因素,传统的解析方法难以完成这样的计算。采用大变形弹塑性有限元法,用MSC.MARC软件对膜片的变形进行数值仿真,实现了膜片的翻转计算。膜片的翻转试验表明,数值仿真与试验结果吻合较好,分析方法合理可行。     

基于GPU的高光谱遥感主成分分析并行优化

主成分分析（principal component analysis, PCA）是高光谱遥感图像特征提取的重要方法。为了在保证精度的同时,提高高光谱遥感PCA算法的计算效率,文章提出一种基于图形处理器（graphic processing unit,GPU）＋中央处理器（central processing unit,CPU）异构系统的PCA并行优化方法。该方法利用GPU的并行计算能力实现PCA中复杂的协方差矩阵计算与维数缩减过程,优化了像元去均值的计算流程;解决了GPU内核计算像元累加和非合并访问问题;利用共享内存机制,提高了访存效率。此外,该方法采用改进的Jacobi快速迭代法在CPU中进行特征分解,保证了算法的精度。实验结果表明,该方法在保证精度的同时能够有效提高计算效率,在Quadro600平台上的加速比达到141倍,满足了高光谱遥感图像实时应用的需求。     

应用动网格技术计算着陆过程中缓冲发动机喷流流场

利用Fluent软件对着陆过程中缓冲发动机的喷流流场进行数值计算,发动机与地面相对位置的不断变化使计算域形状不断改变.为了保证计算的正确性,必须采用动网格技术.介绍了实现移动网格的基本方法,并结合使用网格弹性平滑移动和网格重构方法实现了着陆过程中缓冲发动机喷流流场的非定常数值计算;得到了随发动机着陆产生的喷流流场的压强...     

着陆姿态不确定下的着陆器缓冲机构优化设计

以某型着陆器为研究对象，建立其软着陆过程的动力学仿真模型，并结合Monte Carlo法研究不确定着陆姿态下的某型软着陆性能。然后，分析着陆器的软着陆性能与其缓冲机构构型参数之间的相关关系，并基于实验设计方法与动力学仿真模型得到样本点，建立以着陆器缓冲机构构型参数和着陆姿态参数为输入、软着陆性能指标值为输出的响应面模型。最后，基于响应面模型，考虑着陆器姿态的不确定性，运用结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)和多岛遗传算法(MIGA)的分级优化方法实现了着陆器缓冲机构的优化计算，得到了最佳缓冲机构构型参数。通过仿真模型校验，优化后着陆器的抗翻倒能力与底面抗损坏能力分别提升了3.546%和 5.140% 。     

月球软着陆的二次型最优制导方法

为实现在月球表面指定区域的精确软着陆,研究了月球软着陆的线性二次型最优制导方法。利用简化的轨道动力学模型,给出了一种基于状态和能耗最优的软着陆二次型制导方法。由于制导律要求同时提供3个方向的时变推力,所以需要通过变推力发动机和姿态机动来实现。该制导方法虽能满足精确软着陆的需要,但对姿态变化的要求超出了着陆器姿态机动能力。因此,本文修正了二次型最优制导方法,取消了对轨道参数的过程约束,仅对其终端进行约束,通过求解着陆指定目标点的能耗最优两点边值问题,得到了发动机推力大小和方向的显式表达式。研究结果表明,利用一定的姿态机动能力,修正的制导方法能够满足精确软着陆的需要。     

月球探测器着陆中基于被动图像的着陆场搜索及斜坡估计

在无人探测器月面软着陆技术研究中,因为月球表面障碍物对探测器着陆 安全构成的威胁,所以首先需要解决的是安全着陆区域确定及其坡度估计的问题。从被 动图像角度出发,研究了基于灰度变化的着陆区域确定和基于两视图几何的候选着陆区域坡 度估计的方法。首先,研究了一种基于多尺度窗口区域内灰度变化标准差的安全着陆候选区 域确定方法;其次,为了计算基础矩阵F和单应矩阵H,本文利用SIFT算法和RANSAC策略 进行特征点检测和跟踪;最后,本文利用平面单应H和基础矩阵F的相容性原理,提出了一种 斜坡坡度估计方法。和同类方法相比,该方法无需探测器位姿转移参数。利用该方法得到的 斜坡估计结果和其他方法的结果比较后可知：本文提出的方法检测出的坡度误差能够满足着 陆过程中斜坡检测的要求。     

绕月自由返回飞行任务的轨道设计方法

针对绕月自由返回飞行提出一种任务轨道设计方法。在双二体模型下基于圆锥曲线拼接和能量匹配原则迭代计算初值,采用Broyden法构造新的微分修正格式,在精确模型下分别针对三组不同的目标变量和目标值对初值进行逐级修正使之满足再入参数。采用简单迭代调整近地点时刻、飞行时间完成发射弹道拼接和落点位置匹配,迭代初值根据落点纬度插值确定,插值表通过对若干飞行时间进行初值计算和发射弹道拼接构造。算例表明,该流程能够扩展初值计算的适用范围,具有良好的收敛性和计算效率。     

行星着陆大气进入段自适应滑模抗扰控制方法

针对行星探测器着陆过程可能存在的干扰影响着陆精度问题，提出了一种抗干扰控制方法。首先建立行星探测器着陆控制模型，利用非线性干扰观测器实现对系统外部干扰的估计；在此基础上提出一种自适应滑模控制律，使得系统状态快速收敛到平衡点附近。最后，将该方法应用于火星着陆场景进行仿真。结果表明，提出的自适应滑模控制方法能够在未知扰动存在的情况下，有效实现行星探测器安全着陆，提高着陆任务的成功率。     

月球着陆器精确定点及安全着陆技术研究

在未来月球探测中,需要对一些地形复杂的区域进行探测,而在这些区域软着陆,潜在的危险性增加,这就要求着陆时具有较高的定位精度并能够自动避险。当前,由于着陆时定点的误差较大,在小范围安全地域准确着陆很难。研究了一种精确定位、安全的软着陆方式,它在软着陆过程中增加了悬停阶段。在这一阶段中,通过着陆区危险地域的识别、着陆地点位置误差的计算,加上对着陆器横向漂移的控制技术,使着陆地点的精度以及着陆生存率大为提高,能够满足未来月球探测的软着陆要求。     

复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响

为了研究垂直起降液体火箭在返回阶段发动机反向喷流及复燃对箭体着陆支腿和底部热环境的影响,建立了尾焰复燃、流场及光谱辐射计算模型。在国内率先对垂直起降液体火箭在返回阶段的箭体底部热环境进行了数值计算,流场计算采用商业软件,复燃反应使用有限速率化学反应模型;采用HITRAN数据库获得喷流气体组分的光谱吸收系数、正反光线踪迹法求解辐射传递方程。利用文献实验结果,对计算进行了验证并考察了复燃对底部热环境的影响。结果表明:复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均会明显升高,最高可达80%以上。因此,研究成果适用于液体火箭返回阶段底部精细化热设计,且在设计过程中有必要考虑复燃的影响。