某运载火箭级间分离喷流干扰风洞试验研究

对某运载火箭级间分离特性进行了风洞试验研究,内流采用冷喷流模拟技术,获得了助推器与芯级同时分离和助推器先分离时,两级在有、无喷流、同轴变迎角情况下的气动力系数,试验结果表明,助推器与芯级同时分离和助推器先分离两种情况下,一、二级箭体各自的气动力系数变化很小,这说明助推器与芯级同时分离的方案是可行的。风洞试验研究结果为运载火箭级间分离方案设计和火箭控制系统参数设计提供了依据。     

基于动力冗余的液体火箭动力系统频率特性分析

液体火箭在发射过程中,恶劣的动力学环境常常会引起发动机推力下降或提前关机等工作故障,引入动力冗余技术可以保证发动机故障后仍有足够动力保证火箭正常飞行,从而大幅度地提高系统的可靠性。针对动力冗余技术而提出的液体捆绑火箭推进剂交叉输送问题,以三种工作模式：芯级火箭与助推器独立工作（Mode 1）;一台助推发动机故障,该助推器将多余推进剂供给芯级发动机（Mode 2）;为使助推器提前分离,所有发动机均由助推器供给推进剂（Mode 3）为研究对象,利用有限元技术分别建立三种工作模式下液体火箭动力系统的动力学模型。利用数值方法进行的频率特性分析表明,动力系统每组相似频率在Mode 1模式下的分布较为集中,而在其他两种模式下的分布则较为分散。此外,比较三种工作模式下蓄压器能量值的变频效果发现,Mode 1模式的变频效果最好,而Mode 3的效果最差。     

火箭级间分离喷流干扰数值模拟与风洞试验研究

针对典型风洞试验状态,采用有限体积法求解三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,数值模拟了给定级间距下火箭级间分离喷流干扰流动情况,获得了清晰的流场结构和有/无喷流干扰时两级气动特性变化规律,并对仅主机喷流和主机与四游机同时喷流的情况进行了计算,数值模拟研究结果为风洞试验方案的设计提供了参考依据。在典型状态数值模拟研究的基础上采用了冷喷流模拟技术对多个状态下火箭级间分离喷流干扰特性进行了风洞试验研究,获得了两级在有/无喷流、同轴变攻角情况下的气动力系数,研究结果表明,级间喷流干扰会对两级气动特性带来较大影响。相同状态下计算得到的两级气动特性变化与试验符合较好,表明了针对风洞试验状态的预先数值模拟对试验方案的设计验证可提供有益的参考。     

助推器头部跨音速脉动压力CFD数值仿真

为计算大型捆绑火箭助推器头部的脉动压力,对直头锥、斜头锥2种典型助推器头部外形流场开展了流场仿真,获得了流场规律及脉动压力,重点模拟了激波/边界层干扰导致的分离流动及激波在附近物面的往复振荡现象,获得了脉动压力结果。研究表明:对于直头锥、斜头锥2种不同外形的助推器,最大均方根脉动压力系数出现的马赫数和量级均不同,与芯级干扰的程度也不同,但二者的能量都集中于低频,且随着马赫数的增大,跨音速效应均明显减少。     

长征五号运载火箭助推动力系统

长征五号是我国新一代大型运载火箭（代号CZ-5）,芯级捆绑四个助推器,每个助推器配置两台并联的液氧煤油高压补燃发动机。本文对国内外运载火箭的故障模式进行分析,结合CZ-5火箭首飞实际情况,提出了助推动力系统风险规避应采取的措施。针对CZ-5火箭助推级和芯一级发动机起动点火的特点,分析了CZ-5火箭首次发射中的异型发动机点火匹配特性。简述了YF-100系列液氧煤油发动机的研制历程、技术特征和热环境适应性,重点分析了发动机在可重复使用和大范围推力调节方面的潜力。对比了国内外液氧煤油补燃循环发动机的推重比性能,分析了不同发动机推重比对火箭运载能力的影响,总结了提高发动机性能的措施（如采用泵后摆技术、选用高强度轻质化材料等）。提出了新一代液氧煤油发动机必须在满足高可靠性的前提下,追求高性能、高推重比、降低成本和增强适应性的后续改进方向。     

火箭气动设计集成平台中FASTRAN的二次开发

针对火箭设计过程中的气动特性计算,对计算流体力学软件FASTRAN进行二次开发。在C++语言环境下编写火箭气动设计平台中FASTRAN自动化批处理模块。用户使用此模块输入作业的关键参数,自动批量生成脚本文件,并从后台加载计算进程,使用脚本功能自动控制参数设置和计算过程,完成后导出气动力与气动载荷数据,以内置格式自动生成结果报告。这一过程代替人工操作,减少了工作量,提高了设计效率。以两种火箭构型为例,计算并分析得出不同状态下的升、阻力系数和压心位置随马赫数的变化规律。计算结果与实验数据吻合良好,误差在可接受范围内,可以为火箭的初步设计提供参考和依据。     

高超声速气动力数据天地相关性研究综述

综述了国内外高超声速飞行器气动力数据天地换算技术方面的研究现状及趋势,内容包括高超声速飞行器气动力地面试验研究进展,气动力数值计算技术研究进展和试验数据关联外推方法研究进展。其中,气动力地面试验研究进展部分重点关注国内外与高超声速飞行器研制密切相关的地面风洞试验的能力和不足,及相应的处理手段;气动力数值计算技术研究进展部分主要对国内外若干典型软件的综合能力及其满足高超声速技术的程度进行了概述;气动力试验数据关联外推方法主要对早期美国航天飞机、X-43A及其他飞行器研制过程中用到的气动力天地数据关联方法进行了调研;在上述基础上,进一步指出了开展高超声速飞行器气动力数据天地换算技术需关注的问题。     

无人机双发固体火箭助推器同步性研究

探讨和分析了无人机采用双发固体火箭助推发射方案时存在的助推器同步性问题。并以某型无人机和火箭助推器为例,进行了火箭助推器的同步性仿真计算以及同步性对无人机发射段飞行稳定性的影响计算,分析确定了影响双发固体火箭同步性的显著因素,并就改善双发火箭同步性提出了相应的技术措施。计算结果表明,火箭助推器同步性对无人机发射段飞行轨迹及稳定性的影响在工程应用上是可行的。     

有效载荷基频降低对火箭动特性的影响

为了分析有效载荷基频降低对火箭动特性的影响规律,采用纵横扭一体化梁模型与耦合质量方法模拟箭体承力结构与液体推进剂,使用NASTRAN中的RBE2单元模拟芯级与助推器连接接头.通过修改有效载荷有限元模型以得到不同的有效载荷基频,选取飞行过程中的四个典型秒状态,计算三种不同有效载荷基频下全箭的前九阶固有振动频率.结果表明：纵横扭一体化梁模型在进行全箭动特性分析时模型简单,结果满足要求,可用于设计初期的模态分析;同时,分析得到基频降低对全箭动特性的影响规律,给卫星设计人员提供了相关依据.     

火箭子级垂直回收布局气动特性及发动机喷管影响

垂直回收可重复使用运载火箭是运载火箭发展的一个重要方向,大长细比的火箭子级垂直再入过程属于典型的非规则钝头体绕流,与传统低阻力流线体飞行器气动特性差异较大。采用风洞试验辅以数值仿真分析的方法,对基于栅格舵的火箭子级垂直回收构型基本气动特性和非规则钝头体绕流情况进行了研究,获得了发动机外露喷管和栅格舵对火箭子级垂直回收气动特性的影响规律,给出了火箭子级垂直回收布局设计建议。结果表明：火箭子级倒飞状态下肩部区域会在小迎角下产生大分离流动,外露发动机喷管左右两侧诱导出较强的分离涡结构,与火箭尾翼、肩部大分离流动相互作用;垂直回收构型在超声速下阻力会一直处于较高的水平,不同马赫数下压心移动量较大,倒飞时发动机外露喷管会产生较大的干扰静不稳定力矩,其量值与栅格舵提供的静稳定控制力矩基本相当,在火箭子级垂直回收方案设计时需要引起注意。     

应用重迭网格技术求解复杂组合体无粘流场

本文数值求解了捆绑火箭这一复杂组合体的无粘干扰流场。该计算利用重迭网格(Overlapping Grid)技术求解了分离系数的Euler方程,获得了复杂组合体相互干扰的重要流场特性。通过与风洞试验的比较,计算结果与实验有较好的一致性。     

动态子结构方法在全箭动特性分析中的应用研究

液体推进剂质量对运载火箭全箭动力学特性有重要影响,其动力学建模是全箭动力学建模的难点和重点。结合航天工程实际,提出了采用虚质量法和动态子结构方法相结合的液体推进剂建模方法,减缩了计算模型自由度,提高了计算效率,实现了全箭动力学特性分析。最后,以某液体运载火箭为例,分析了不同液体推进剂建模方法对全箭动特性计算结果的影响。     

重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

小型固体运载火箭六自由度弹道仿真

针对控制系统采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展六自由度弹道仿真研究。给出侧喷流发动机安装模型和推力模型以及开关机控制规律,阐明气动力和气动力矩计算方法;并建立了固体发动机推力模型,以及完整的六自由度弹道动力学和运动学模型。仿真结果表明:建立的六自由度弹道仿真模型能正确反映运载火箭飞行特性;研究的固体运载火箭满足将300kg有效载荷送入200km太阳同步轨道的运载能力要求;姿态控制系统满足运载火箭姿态控制精度要求;侧喷流推进剂质量分配合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据。     

Integrated Entry Guidance for Reusable Launch Vehicle

A method for the implementation of integrated three-degree-of-freedom constrained entry guidance for reusable launch vehicle is presented. Given any feasible entry conditions, terminal area energy management interface conditions, and the reference trajectory generated onboard then, the method can generate a longitudinal guidance profile rapidly, featuring linear quadratic regular method and a proportional-integral-derivative tracking law with time-varying gains, which satisfies all the entry corridor constraints and meets the requirements with high precision. Afterwards, by utilizing special features of crossrange parameter, establishing bank-reversal corridor, and determining bank-reversals according to dynamically adjusted method, the algorithm enables the lateral entry guidance system to fly a wide range of missions and provides reliable and good performance in the presence of significant aerodynamic modeling uncertainty. Fast trajectory guidance profiles and simulations with a reusable launch vehicle model for various missions and aerodynamic uncertain-ties are presented to demonstrate the capacity and reliability of this method.     

考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时,需要进行轨迹和控制的重构,故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响,通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合,提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。仿真结果表明,多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件,从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性,并为制导与控制一体化设计提供参考依据。     

Influence of Interference Effects of the Rotor on the Launch Dynamics of Gliding Unmanned Aerial Vehicle

A mathematical model of the gliding unmanned aerial vehicle (UAV) motion is performed taking into account the interference effect of the main rotor on the UAV. Calculated values are presented for the interference addition to the aerodynamic coefficients of forces and moments on the UAV path section close to the carrier. The problems of stabilization and control are solved, providing stability of the UAV motion at the launch with due account of the aerodynamic interference and the effect of short-term upper stage engine operation, as well as a safe distance between the carrier and the UAV during their simultaneous motion.     

舰载机弹射起飞建模与控制

舰载机弹射起飞过程由舰面滑跑和离舰上升两个阶段组成,各阶段舰载机的受力与约束不同。根据两阶段舰载机的气动特性和运动特性,建立了一种通用的舰载机纵向动力学模型确定其离舰速度、离舰迎角和预置舵偏角,从而选择合适的控制策略完成弹射起飞上升阶段的自动控制飞行。以某型机为例,建立了全量非线性模型,并在此基础上设计了离舰上升阶段的控制方案。仿真结果表明,该模型与控制方案具有较好的控制效果。