采用分布式压电驱动器的翼面热颤振主动抑制

高超声速气动加热会严重影响飞行器结构的颤振特性,本文开展了采用分布式压电驱动器的热颤振主动抑制方法研究。以某飞行器小展弦比翼面为研究对象,进行了常温和热载荷边界条件下的结构振动和颤振分析。在此基础上,对频域非定常气动力进行有理函数拟合,建立包含压电驱动器的翼面耦合结构系统状态空间形式的运动方程;对典型热载荷边界条件下的被控对象设计颤振主动抑制控制律,分别设计出LQG及PID控制器;对比分析了系统开、闭环颤振特性。结果表明,通过主动控制律的实施,达到了热颤振主动抑制的目的,验证了这种颤振主动抑制方法的有效性     

条带式太阳帆航天器的热致结构动力学响应

本文研究条带式太阳帆在近地轨道运行进出地球阴影时的热致结构动力学响应，建立了在太阳热辐射和光压共同作用下的太阳帆结构动力学方程，采用分布传递函数法，给出了条带式太阳帆热致结构稳态振动幅频响应的计算方法。算例结果表明：热辐射冲击是引起近地轨道太阳帆结构动力学响应的主要原因，光压引起的结构响应可忽略不计；增加桅杆壁厚不能有效抑制太阳帆的热致结构动态响应；增大阻尼，减小结构的热膨胀系数能够明显减小太阳帆热致结构响应的振幅；热致结构动态响应是设计大尺寸近地轨道太阳帆必须解决的问题。本文提出的方法可为太阳帆结构设计、姿态和轨道控制提供有力的分析工具。     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

大攻角翼面超声速热颤振分析

分析了大攻角超声速翼面气动加热条件下的热颤振。根据模态叠加法建立颤振运动方程,用当地流活塞及小扰动线性化理论分别计算超声速区和亚声速区的非定常气动力,状态空间法与Runge-Kutta法结合仿真求解结构动响应。给出的两个工程实例计算结果表明,该方法计算精度可满足工程要求。另外还讨论了气动加热效应对颤振的影响。     

太阳帆航天器移位轨道设计

研究了太阳帆日心移位轨道的稳定性、控制律设计及轨道拼接。将柱坐标形式的太阳帆动力学方程在参考移位轨道附近线性化,得到线性变分方程。分析线性变分方程的特征值在复数平面上的位置就可以得到移位轨道的稳定性条件。设计了太阳帆日心移位轨道的控制律,并证明了控制律满足稳定性条件。该控制律仅要求太阳帆在移位轨道飞行时姿态角α保持不变。此外,太阳帆移位轨道可以与开普勒轨道相互转化,也可以与移位轨道之间相互拼接。     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念.以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理,分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响;给出了非线性耦合Karman方程的求解方法;以一种聚酰亚胺圆薄膜为例,用有限元法对Karman方程进行了数值求解,用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解,证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性;用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形,改善反射镜像差.     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念。以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理，分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响；给出了非线性耦合Karman方程的求解方法；以一种聚酰亚胺圆薄膜为例，用有限元法对Karman方程进行了数值求解，用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解，证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性；用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形，改善反射镜像差。     

地空导弹结构动力学发展概况

以国内外近年来的结构动力学研究及型号设计工作为基础,对地空导弹结构动力学研究的动向作了综述,详细讨论导弹设计中的主要结构动力学问题,阐述结构设计中的模态分析与参数识别及动力响应与载荷识别.颤振是地空导弹设计中非常重要的结构动力学问题,应首先考虑升力面颤振,特别是全动舵颤振分析,常用的计算方法是模态叠加法.风洞模型试验是主要的颤振试验方法.最后叙述全弹组合体颤振计算及控制系统与颤振的相互影响.     

柔性太阳帆轨道-姿态-弹性振动耦合效应研究

建立了柔性太阳帆轨道、姿态、弹性振动耦合的动力学降阶模型。分析该模型在地心大偏心率椭圆轨道的动力学表明:太阳光压力是太阳帆轨道产生偏差的主要原因,且太阳光压力会引起太阳帆姿态的剧烈变化和柔性结构的大幅振动,同时太阳帆的结构振动会对其姿态造成累积偏差。研究发现,太阳帆在空间的运行是一个轨道、姿态、弹性振动三方面强烈耦合的复杂问题。     

大椭圆轨道遥感卫星有效载荷安装面热变形抑制方法

针对大椭圆轨道遥感卫星有效载荷安装面在复杂外热流环境下存在较大热变形的问题,文章提出了碳纤维结构铺层优化和柔性连接两个热变形抑制的方案,并分析了两个方案的优缺点。以某大椭圆轨道遥感卫星为例,进行了分析验证,结果表明:采用柔性连接设计方案优于碳纤维结构铺层优化方案,可将因热变形引起的载荷安装面法向变化从672μrad减小至185μrad,更适用于大椭圆轨道卫星不规律多变外热流下有效载荷安装面的热变形抑制。     

带挠性附件航天器刚柔耦合动力学

针对有板式挠性附件的航天器，根据几何变形约束法引入有限元方法，用Lagrange方程建立系统的刚柔耦合一次近似动力学方程组。在动力学方程中获得了与大范围刚体运动有关的动力刚度项。仿真结果表明，在柔性体大范围运动时动力刚度项的影响较大，忽略动力刚度项的传统动力学建模方法会给出错误结论。     

太阳帆航天器的轨道动力学和轨道控制研究

研究了太阳帆轨道动力学和利用太阳帆推进实现非开普勒轨道的太阳帆控制问题 ,推导了Gauss形式的太阳帆探测器密切轨道六要素微分方程,分析了太阳帆的轨道控制设 计方法,描述了适合太阳帆姿态控制的执行机构。在此理论基础上以SPORT计划作为设计实 例,并进行了设计与仿真,实现了任务要求的目标轨道。     

基于区间样条小波的太阳帆轨迹优化算法

针对太阳帆轨迹优化问题,提出了一种基于区间样条小波的新颖数值算法。首先推导了太阳帆航天器的轨道动力学方程并提出了优化目标函数,然后提出了基于区间样条小波函数及其导数算法的最优控制直接数值法。该优化算法的核心是基于区间样条小波函数及其导数算法,在小波配点上将状态与控制变量作离散化处理,进而可利用小波函数有效逼近带有突变的优点,提高了求解以小波系数为参数的非线性规划问题的计算精度和效率。对典型的地球－水星之间的太阳帆轨道优化问题的仿真结果表明,基于小波的数值解法优于半解析法。     

点火冲击波与药柱裂纹流固耦合作用机理数值模拟研究

流体计算采用基于非结构动网格的有限体积方法,结构计算采用分段精细时程积分方法,求解结构动力学有限元方程,流体计算和固体计算之间采用松耦合在不断运动的交界面上进行作用力和运动特性的传递,对固体火箭发动机点火形成的冲击波与药柱缺陷形成的弹性裂纹之间相互耦合作用过程进行了模拟。研究表明,作用在弹性裂纹上的冲击波载荷引起的壁面变形随时间变化明显,开始表现为撑开裂纹出口,随后出现了收缩出口撑开底部的瓶状;固体变形对冲击波在弹性狭缝内的压力波振荡影响较小,以前采用刚体模型得到的研究结论仍有指导意义。     

热变形对一种天线指向机构指向精度的影响分析

热变形对天线指向机构的指向精度具有重要影响,但利用传统的设计方法很难实现对指向精度的准确计算,尤其是热变形对指向精度影响的研究工作更是少见。为此建立了机构的三维实体热-结构耦合有限元分析模型,根据有限元分析结果并结合机构的运动链关系,构建了各关键运动副运动误差的计算方法;在此基础上实现了机构指向误差的计算,研究了运动副名义、最大以及最小配合间隙条件下,温度载荷对各关键运动副运动误差和指向精度的影响。研究结果表明,温度载荷对关键运动副的运动误差以及机构的指向精度具有重要影响,随着温度载荷偏离常温数值的增加,指向误差不断增大,名义配合间隙条件下的指向误差最大。     

光学稳像系统颤振抑制性能的分析与设计

光学稳定成像方法是一种用于隔离视轴颤振对成像质量影响的综合处理技术,它结合传统光学与反馈控制理论,通过闭环控制系统驱动在光成像通路内的动态校正机构补偿探测视轴与成像焦面间的相对运动,进而有效提升成像质量。文章首先建立了光学稳像系统的回路模型,并在此基础上,根据控制系统稳定性判据导出了颤振抑制函数的设计约束,分析了像移测量延时特性、测量精度特性及校正机构动态性能对颤振抑制带宽的影响。文章进一步给出了一种光学稳像系统颤振抑制带宽的设计方法,该方法针对视轴颤振的功率谱密度、像移探测性能和光机校正机构的动态性能完成了颤振抑制带宽的优化,从而可最小化颤振补偿残差。最后通过试验验证了文中分析结论和设计方法的有效性。     

人工拉格朗日点附近的被动稳定飞行

利用太阳帆能在三体问题中实现人工拉格朗日点,人工拉格朗日点克服了经典拉格朗日点位置固定的缺点,研究人工拉格朗日点的被动控制对深空探测有重要的意义。理论上人工拉格朗日点都不稳定,研究表明在被动控制下存在某些人工拉格朗日点的稳定特性与稳定平衡点非常接近,在工程上可以认为稳定。被动控制可以通过设计太阳帆来实现,本文给出了被动稳定太阳帆的设计,在该设计下考虑轨道和姿态的耦合动力学方程。基于该耦合方程研究了人工拉格朗日点的稳定性。仿真结果表明被动太阳帆使得人工拉格朗日点稳定。     

超声速气流下黏弹性夹层壁板非线性颤振分析

基于Kelvin-Voigt黏弹性本构模型、von-Karmen薄板大变形理论和三阶气动力活塞理论建立了三维黏弹性夹层壁板的气动弹性颤振方程。使用Galerkin截断方法,对超声速气流下,四边简支黏弹性夹层壁板颤振的非线性特性进行了研究。对于非线性一阶截断方程,研究了它的平衡点及稳定性随来流速度的变化情况,得到了系统发生静态分叉时的临界速度;对于非线性二阶截断方程,使用数值仿真分析方法,得到了系统发生Hopf分叉时的临界速度,并利用响应、相图等手段研究得到黏弹性夹层板随来流速度变化的动力学特性。     

电磁场中薄板的混沌运动

在给出的横向磁场与机械载荷共同作用下薄板的振动方程的基础上,应用Galerkin法将薄板的振动方程简化为无扰动和扰动两种情形。针对扰动系统采用Melnikov方法得到系统存在n阶次谐波轨道,并给出了该系统存在Smale马蹄变换意义下的混沌现象的临界条件。     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。