航天器火工引爆链路系统设计验证方法研究实践

火工链路设计是航天器安全设计的重要一环,其设计是否合理、验证是否充分,直接影响飞行任务的成败。为确保航天器火工装置在轨可靠工作,需要开展火工引爆链路设计验证工作。文章首先介绍了传统的火工引爆链路设计方法存在效率低、易出错的特点,然后从航天器系统角度提出了一体化火工引爆链路设计验证方案,使用基于目标导向的设计要素识别方法确保要素全面无遗漏。接着从数据融合角度建立火工引爆链路数字化仿真模型,实现数据源自动导入、仿真过程自动运行、仿真报告自动生成;最后对同一火工装置同一测试状态下的历次数据进行比对分析,确保及时发现问题。该方案可有效提高火工链路设计验证的效率和效果,为航天器火工引爆链路设计验证提供参考。     

载人航天器测控与通信分系统安全工作模式设计

从载人航天器测控与通信分系统链路资源出发,提出了基于地面S频段测控及导航信号接收链路全向覆盖,宽波束中继链路自主组阵,窄波束中继天线自主跟踪的测控与通信分系统安全工作模式,确保任何情况下测控通信链路都能够稳定建立,特别是在载人航天器出现异常掉电又恢复后,测控与通信分系统能够自动恢复高、低速天地链路,确保载人航天器安全工作.该模式设计经过地面测试验证和在轨飞行验证,既能够满足正常飞行时链路余量大于3 dB的要求,又有效减少了紧急情况下载人航天器对地面的依赖,取得了良好的在轨应用效果.     

基于北斗导航卫星系统的应急卫星通信链路接入技术研究

为解决应急通信卫星终端与主站建立通信链路过程中,卫星通信终端不能实时获取主站分配的接入参数导致通信链路建立失败的问题,本文提出了一种利用北斗RDSS(卫星无线探测服务)的通信功能实现应急通信卫星终端自动实时接入主站的方法。经过实际系统验证和测试,本文利用多种通信手段的融合协作技术较好的解决SCPC(单路单载波)点对点应急卫星通信终端在无常规通信网络环境下接入主站的问题。     

一种新型多点互联高速冗余总线通信方法与实现

针对航电设备高可靠与小型化的发展趋势,提出一种新型多点互联高速冗余总线通信方法与实现途径,该总线主站点通过5条公共的通信链路与多达32个从站点进行多点互联通信,5条通信链路中4条通信链路处于工作状态,1条处于热备份状态。通信链路层综合采用曼彻斯特、8B/10B和CRC-16等编解码算法,实现通信链路故障的自动诊断、备份链路的自动切换以及自动重传功能。总线传输峰值带宽可达到400Mbps。与传统航电设备采用的并行总线相比,本串行总线在传输带宽、可靠性、可维护性和小型化等方面具备显著优势。     

基于PSN的通信系统的研究

从数据通信的角度分析了调制解调器的功能特点，详细讨论了通过公用电话交换网利用调制解调器进行锭程数据通信过程中建立通信链路的几种实现方法，并着重介绍了一种软件拨号的方法在开发无人值守自动通信系统中的应用。     

低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

数据中继卫星运行在地球静止轨道,可作为低轨航天器在地面站视距外测控通信的数据中继接力。针对中继小型测控终端的需求,文章设计了两种不同的固定安装的宽波束中继终端天线,一种为简单锥形波束,另一种为赋形的复杂环锥形波束。结合低轨航天器不同倾角的轨道特性和终端天线不同的方向图类型,应用STK卫星仿真软件进行了不同组合的链路仿真分析,给出了不同轨道倾角的航天器与中继卫星长时间建立链路的最优天线方向图及其设计特性。链路仿真的参数包括总的建立链路时间、建立链路的次数及建立链路的区域等,仿真结果对于低轨中继终端的应用具有重要的指导意义。     

利用GNSS星间链路的航天器定轨方法研究

针对利用全球卫星导航系统(GNSS)星间链路实现用户航天器定轨时存在的链路资源有限问题,构建基于GNSS星间链路的用户航天器定轨模型,设计了应用流程,重点研究了星间链路测量频度、可建立链路数量等链路规划模式对用户航天器定轨结果的影响,并分别针对高轨用户航天器和中低轨用户航天器进行仿真分析和试验验证。结果表明:用户航天器与GNSS卫星建立星间链路的频度越高、数目越多,动力学法轨道改进的效果越好;对高轨用户航天器采用广播星历,即使每6h只有1条观测链路,也可以获得40m以内的定轨精度;对低轨用户航天器采用精密星历,当每次观测链路增加到5条时,基本可以获得1m以内的定轨精度。     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

中继测控链路动态分析与计算方法研究

中继测控链路计算是进行中继测控链路性能分析的重要手段。就任意可视弧段而言,中继终端和中继卫星之间的相对位置都是不断变化的,这就引起部分链路参数随着时间和位置动态变化。文章提出了一种中继链路动态分析与计算的方法,建立了中继链路动态通信方程,最后以中继终端和天链一号01星某仿真可视弧段为例,进行了中继链路的动态分析与计算。结果表明,文章的链路计算与分析方法实际可行,对于中继终端实际工程应用和在轨试验具有参考价值。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

非线性晃动问题的ALE边界元方法

利用ＡＬＥ（任意的Ｌａｇｒａｎｇｅ－Ｅｕｌｅｒ）边界元方法数值求解了具有自由液面的非线性晃动问题，即受外力激励下流体的非线性振动问题。把ＡＬＥ有限元方法的思想应用到边界元方法中，得到了ＡＬＥ边界元方法。对于自由液面的非线性动力边界条件，应用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权方法进行了有限元数值离散。为了增加求解精度，对动力边界条件提出了增加误差修正项的数值求解方法。对时间变量采用Ｎｅｗｍａｒｋ方法进行离散。推导了系统非线性方程的预测－多次校正法迭代格式。进行了算例分析与比较，得到了令人比较满意的结果。     

高动态低载噪比的载波捕获技术研究

对高动态、低载噪比信号的载波捕获是航天测控的关键技术之一。对三种自适应谱线增强算法进行介绍,并将基于自适应谱线增强算法的FFT捕获方法与直接FFT谱分析方法进行仿真对比及工程实现,仿真结果和测试数据表明该方法能够实现高动态、弱信号的载波捕获。     

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。     

折叠降落伞展开过程研究

为更好地从机理上研究折叠降落伞的展开过程,文章首先采用基于初始矩阵修正的直接折叠法建立了降落伞的折叠模型,并对该模型使用任意拉格朗日-欧拉法模拟了无限质量情况下不同风速、不同引导伞作用下开伞情况。计算结果证明了引导伞经验设计的有效性,但同时发现个别情况下经验设计过于粗糙,容易导致出现不良充气状态。文章的研究内容对降落伞设计、优化具有指导意义。     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

聚能火工装置工作过程数值模拟

采用ALE算法模拟了聚能火工装置的工作过程。仿真结果能够演示聚能射流的形成过程,并且能够揭示一些有关材料和射流的特性和规律,符合现有实验结论并与相关文献结论一致。表明该模拟方法合理可行,可应用于聚能火工装置优化设计。     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型.通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解.将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和...     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

舱体入水工况参数对冲击特性的影响分析

为分析大型舱体返回入水时入水垂直速度等工况参数对其冲击特性的影响,提出一种基于任意拉格朗日欧拉法的舱体入水过程模拟方法,应用球底结构入水问题理论计算方法验证该模拟方法的有效性。通过对不同入水工况的有限元模拟,分析入水垂直速度和入水角度对冲击特性的影响。结果表明本文建立的舱体-流体有限元模型能够有效模拟舱体入水过程,舱体冲击加速度峰值与入水垂直速度成正比,舱体以一定角度入水能够降低入水过程的冲击加速度。研究结果可以为新型舱体的结构设计和入水冲击试验提供指导,从而减少试验次数,缩短开发周期。