圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动实验及动力学特性分析

针对圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动力和力矩动态信号的采集与分析问题,设计了一种能同时实现充液贮箱整体固定安装和液体动态晃动力、力矩精确测量的实验装置,给出了相应的实验数据采集、分析和处理方法。通过开展大量实验,将实验数据与CFD仿真结果进行细致对比后发现:在旋转晃动状态下,CFD仿真结果存在明显的计算偏差,不便被独立的用于完整揭示贮箱内液体晃动的真实特性。最后,归纳了贮箱内液体的非线性稳态晃动行为随横向外激励频率的变化规律,并对比分析了驻波晃动、拍振晃动、多类复杂的旋转晃动等多种不同形式的非线性稳态晃动行为对运载工具控制系统的任务执行效率和稳定性的影响。     

发动机试验液氧贮箱放气系统动态特性研究

在液氧/煤油火箭发动机地面试验中,为得到液氧贮箱放气系统放气流量与放气阀门动作的响应特性,从而控制箱压的下降速率,验证液氧煤油发动机在低入口压力条件下的工作适应性,对液氧贮箱放气系统的动态特性进行了研究。建立了液氧贮箱二维计算模型,结合试验数据,对低温贮箱内气枕空间的非稳态换热过程进行研究,确定放出气体温度以及相应状态。应用CFD的动网格技术,建立二维计算模型,对放气系统阀门的开关动态特性与过流流量特性进行综合分析,获得了不同通径放气管路的放气流量与箱压的计算关联式,基于理想气体状态方程,完善了箱压计算理论模型。应用该模型量化分析箱压下降速率,为计算箱压控制的准确时间节点提供了操作参考。     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

航天器贮箱大幅液体晃动三维质心面等效模型研究

针对航天器贮箱内的大幅液体晃动建立了三维质心面等效模型,此模型将贮箱内液体等效为位于液体质心处的质点,该质心点可以在质心约束面内任意运动,同时利用质心点动力学方程及接触碰撞模型近似计算液体晃动对贮箱的作用力。质心面等效模型的数值仿真结果与基于VOF方法的流体动力学数值计算结果基本吻合,从而验证了质心面等效模型用于航天器贮箱大幅液体晃动分析的有效性。     

动力系统大气垫容积启动充填仿真及试验研究

应用AMESim系统建模和仿真软件并考虑减压阀出口不同节流孔板孔径节流能力,建立了贮箱加注仅为满载加注量40％条件下的系统启动充填过程仿真模型。计算了电爆阀打开后贮箱出口压力变化曲线,获得系统初始充填时间。依据仿真结果结合系统实际情况完成系统冷试验证试验,试验结果与仿真计算数据基本一致。     

卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真与试验

以风云三号(FY-3)卫星为研究对象,提出了一种卫星单元肼推进系统落压工作特性的数值仿真法。根据简化的推进系统物理模型,建立了贮箱、管路、自锁阀与过滤器,以及推力器的仿真数学模型。计算了四种不同工况下的落压工作特性。计算结果与FY-3卫星推进系统热试车试验数据的比较表明,两者相当吻合。由此验证了该数值仿真法的准确性和工程推广应用的可行性。     

变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟

以某卫星液体推进剂贮箱为研究对象,用Fluent三维数值模拟软件,对在零重力环境变轨过程中贮箱内液体推进剂的晃动特性进行数值模拟。分析了晃动过程中液体推进剂的质心变化和液体推进剂对贮箱的作用力。数值模拟获得了液体推进剂在变轨过程中晃动的频率和阻尼比。与ABRAMSON等根据实验结果拟合得出的阻尼比经验公式计算结果和文献中对阻尼比的简化计算结果相比,模拟结果接近经验公式,同时能反映阻尼比随液深的变化,计算结果具有可信度。     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

复杂结构充液航天器晃动动力学与姿态稳定性

复杂充液航天器的晃动及其对控制系统的影响是当前空间高技术的重要问题。 本文首先由力学变分原理导出充液复杂系统的方程式,其中包括流体力学方程和相应的边界条件,以及弹性连续介质力学方程;特别是,考虑了强毛细作用力的影响。其次,考查了微重条件下带有隔板的贮箱内的液体晃动、带有网孔隔板腔体内的液体晃动和粘弹性隔板对抑制晃动的作用。另外,本文将分析带有多腔充液自旋卫星的姿态稳定性,以及晃动、液体涡旋、贮箱偏置,能量耗散和哥氏加速度对卫星运动的影响。最后,讨论了多体系统充液挠性空间飞行器的稳定性问题。 同时,本文给出了数值计算结果和某些试验结果,并与理论分析作了对比。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

机动飞行姿态下含气贮箱中液体晃动仿真分析

用瞬态动力学分析软件MSC／Dytran中的欧拉方法，对给定机动飞行姿态下含气枕气体贮箱内液体的晃动问题，进行了动力学仿真建模分析，并得出了给定时间段内液体晃动的仿真结果。仿真结果与理论分析较为符合。为类似问题提供了一种动力学仿真的解决方法。     

椭球形贮箱内液体晃动特性试验研究

本文研究用于运载火箭的椭球形贮箱内液体晃动动力特性。利用常重力条件下缩比相似模型试验得到液体晃动的等效力学模型。应用参数识别技术确定第一阶等效模型的参数,并与近似计算方法得到的结果进行了比较。叙述了晃动试验中观测到的非线性效应。     

地球同步卫星远地点变轨期间的三轴姿态稳定

本文提供了地球同步三轴稳定卫星在远地点变轨机动过程中的卫星动力学模型,其中考虑了刚体、液体晃动和帆板振动的耦合,这些模型经过实际工程验证,证明是正确的。本文还给出了控制器结构,它由PID和各种晃动滤波器及帆板挠性滤波器组成。工程设计证明,这种控制器结构可满足设计要求且简单可靠。本文还给出了系统稳定性分析结果及数字仿真结果。     

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     

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。     

轨姿控液体火箭发动机水击仿真模拟

以轨姿控液体火箭发动机为研究对象,根据模块化思想,利用AMESim建立了仿真平台,仿真计算了发动机系统工作中管路的水击压力。结果表明:轨控发动机的工作是引起大水击的主要因素。通过与理论计算和试验数据的对比表明,仿真模型较好地描述了管路水击的生成过程。介绍了减小系统水击量的措施。     

模态分析在液体晃动等效力学模型建模中的应用

针对传统方法在液体晃动等效力学模型建模中通用性差的缺点,提出了一种对弹性体有限元进行模态分析实现解算液体晃动特征问题的方法。推导了液体晃动力和力矩与有限元模态分析结果间的关系,建立了液体在横向激励作用下晃动的等效力学模型。以椭球底柱形贮箱为例,给出了不同充液深度时液体晃动频率、晃动质量和晃动质心位置的变化。结果表明:计算值与实验数据吻合较好,验证了方法的有效性与正确性。     

辨识液体晃动力学参数的频域法

研制成一种平动式晃动试验装置,并导出其当量力学模型。已经证明,若用盛液贮箱的驱动力和位移分别作为系统的输入量和输出量,该装置则为完全能控、完全能观和能辨识系统。采集足够的频响函数数据,并用误差校正法和广义最小二乘法估计传递函数的全部系数。又用DFP变尺度法由传递函数系数导出了晃动液体当量力学模型的第一和第二阶模态的力学参数。