航天器力学环境分析与条件设计研究进展

航天器力学环境条件是航天器及其部组件设计和地面试验验证的主要依据,直接影响着航天器的总体设计水平。随着我国航天事业的飞速发展,对航天器及其有效载荷的设计提出了越来越高的要求,而力学环境分析与条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高的瓶颈技术。本文重点针对航天器力学环境分析与条件设计技术所涉及的航天器力学环境预示理论方法,高精度有限元建模与模型修正技术以及航天器力学环境条件设计技术三个方面国内外研究进展进行了回顾,特别是对近五年来我国航天工业部门在航天器力学环境分析与条件设计领域取得的成就进行了综合评述。在此基础上,结合我国航天工程的实际需求,分析指出了今后在航天器力学环境分析与条件设计领域的主要研究方向。     

低特征信号绝热层用硅氧烷树脂研究

简述了用于固体火箭发动机低特征信号绝热层研制的发展现状。对多种硅氧烷树脂（ＲＴＶ）进行了筛选和信号透过率，热失重，力学及粘接笥能试验。试验结果表明，与使用ＥＰＤＭ绝热层材料相比，使用ＲＴＶ绝热层材料，火箭发动机燃烧室羽流具有较高的信号透过率；ＲＴＶ还具有较好的热性、力学及粘接性能，适于用作低特征信号绝热层的基体材料。     

应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法

为了验证地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的成像机理,采用倾斜地球同步轨道(IGSO)北斗导航卫星作为照射源,通过地面接收北斗导航卫星信号和地面反射的回波信号,实现对GEO SAR成像机理的等效性验证。北斗导航卫星具有与GEO SAR卫星相似的轨道,地面接收的信号可以等效成单程传播的GEO SAR回波信号;成像处理采用与GEO SAR相同的合成孔径时间,在合成孔径时间内地面反射的北斗导航卫星信号具有与单程传播的GEO SAR回波信号相似的距离徙动特性和多普勒特性,可实现长合成孔径时间条件下GEO SAR成像机理的验证。通过双基地试验实现了应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理的等效性验证。     

航天器运输的力学数据采集、存储和分析方法

为了实时地监测及分析航天器运输过程中的力学环境,提出了使用移动数据记录仪实现数据的本地自动采集和存储方法,可对采集的海量数据自动批处理进行参数的时域及频域分析,分析后结果可直接反映与力学环境要求指标的符合性;另外,可将采集的GPS信号与力学数据匹配进行多维分析,以指导后续航天器同路线的运输。     

变推力液体火箭发动机稳定性研究

本文对采用挤压式推进剂供应和脉冲式控制的变推力液体火箭发动机系统的稳定性进行了研究。理论分析的结果表明,这类变推力液体火箭发动机具有相似的系统结构;在以流量控制元件的位移信号反馈的条件下,发动机系统的稳定性仅取决于控制系统自身;在以燃烧室压力信号反馈的条件下,系统的稳定性准则是系统各部分的特征时间的函数,并且系统各部分的特征时间在稳定域最大的意义上满足一个最佳匹配条件。理论分析的结果得到了实验验证     

雷达信号时差频差测量定位工程实现技术研究

针对星载时差频差无源定位系统对地海面雷达信号定位工程实现需要考虑的实际问题,对雷达信号时差频差测量关键技术进行研究。首先研究了雷达信号时差频差测量方法,然后研究了双星时差频差模糊条件并提出解模糊方法,最后,研究了长时间积累对到达频差的影响,给出随时间变化频差补偿方法。     

光纤陀螺在新型飞行器遥测系统中的应用研究

新型飞行器利用动态瞬时角速率信号进行气动辨识。遥测系统采用光纤陀螺测量动态瞬时角速率信号,通过RS422串口与采编设备进行数字通信,通过同步信号和移位脉冲信号控制角速率信号同步采集与传输,且在传输信号中设置帧头和帧尾,保证了数据信号同步的正确性。测试结果表明光纤陀螺动态测量精度达到0.01°/s,随机振动过程中的均值漂移优于0.01°/s,且具有良好的抗力学环境能力。     

微重条件下平放圆柱形腔体内液体晃动问题

本文研究了平放的圆柱形腔体内的液体,在微重及一般重力场条件下的力学性态。解出了液体在上述条件下平衡自由液面的弯曲形状,分析了液体在晃动时的力学特性,给出一种计算液体晃动固有频率的简单方法,并利用等效力学模型计算了腔体所受的液体晃动压力和力矩。最后,将本文所得计算结果与在重力场条件下得到的实验结果(见NASA TND-252)进行了分析、对比。     

冲击试验条件的转换方法及其应用

对冲击试验条件的转换方法进行了研究。利用从频域响应谱到时域激励信号的不唯一性,由小波合成法构造足够数量满足响应谱试验规范的时域激励信号,并施加到单机的有限元模型。用MSC．NASTRAN软件仿真计算单机中元器件安装位置处的响应。统计响应样本,获得在一定概率条件下元器件可能出现的响应峰值。将该峰值作为元器件冲击试验的半正弦波幅值,并以元器件产生最大响应的激励持续时间作为元器件冲击试验的作用时间参数,实现冲击试验条件的转换。给出了一个单机模型的冲击试验条件转换实例。     

多基站ISAR多运动目标成像与横向定标研究

在多基站ISAR多运动目标回波模型的基础上,采用时间-调频斜率分布估计各基站多个目标的信号参数,基于CLEAN算法实现了各基站多个目标的信号分离。利用多个基站获得的目标的信号参数和多个ISAR图像,估计目标的运动参数,实现多个目标的横向尺度标定,同时给出了多基站ISAR多目标成像和横向定标的约束条件。仿真实验验证了多基站ISAR多目标成像和横向定标算法。

     

有限元仿真模型V&V技术研究

仿真模型建模过程存在多种误差输入，将引起仿真预测结果的不精确性。采用仿真模型V&V（Verification and Validation,验证与确认）技术，进行仿真模型的建模误差分析与控制。利用物理试验数据进行仿真模型的精度评估，基于模型修正算法进行仿真建模参数的自动修正，提升仿真和试验结果的一致性，帮助设计师基于精确的仿真模型进行产品的虚拟性能预示，提升仿真技术在产品研制流程中的地位和作用。阐述了模型V&V的概念和流程，对模型V&V的关键技术和原理进行了详细论述,以NASA Rotor37转子验模为例进行了V&V案例说明。     

能量有限元方法的双星整流罩中频声振环境预示

为了对某双星整流罩结构进行振动环境的预示,采用能量有限元分析(EFEA)的方法,建立了整流罩结构的能量有限元模型,并对其进行了振动环境的预示。作为比较,选取统计能量分析方法 (SEA),建立了该整流罩的统计能量模型,并与EFEA方法和实验测试结果进行了比较。结果表明,EFEA方法与SEA方法的结果在一定的频段内可以较好地预示结构,而且在该频段内,EFEA方法的结果相对SEA方法更接近于实测值,同时相比SEA方法,EFEA可以得到预示结果的空间分布。     

气动载荷对整流罩分离特性影响的仿真计算研究

文章利用有限元软件Abaqus中的流-固耦合分析模块CEL仿真计算了整流罩平抛分离过程,对比研究了气动载荷对整流罩分离过程的影响,并与试验进行了对比。结果表明,计算与试验结果吻合较好,分离初始时刻罩内负压所产生的气动载荷严重阻碍整流罩的正常分离,造成整流罩与内部有效载荷的碰撞干涉。仿真计算可为今后整流罩地面分离试验验证提供新的途径。     

大型柔性整流罩抛罩多体动力学仿真

在考虑结构弹性变形、空间大范围相对运动，以及弹性运动与刚体运动耦合的基础上，建立了运载火箭整流罩的有限元分析模型。采用MSC．NASTRAN和ADAMS软件仿真模拟了新一代大运载火箭整流罩不同设计方案的地面分离，并与试验结果进行了比较。分析表明，整流罩的多个仿真模拟分离参数与试验值较为接近，证明本文的整流罩抛罩多体动力学仿真方法有效。     

整流罩弹射筒力学特性工程估算

在理论分析和试验的基础上,给出了一种整流罩分离过程中弹射筒分离力的工程估算方法。认为弹射筒达到最大压力后,力-位移关系近似符合等温变化规律。由此可根据地面小车试验的力-时间曲线,通过MSC.ADAMS建模分析获得弹射筒的力-位移曲线,以及整流罩的相关分离参数。整流罩分离地面试验表明,该方法的计算结果与实际较吻合。     

基于HHT技术的复合材料结构损伤定位研究

Hilbert-Huang Transform（HHT）是一种新型的信号处理方法，主要适用于非线性、非平稳信号的分析，其应用已经越来越广泛。现将此方法应用在复合材料板的一维损伤定位实验中。在复合材料板损伤前和损伤后各采集一组信号，对其进行HHT分析。对比分析结果——二者的时间-振幅与时间-频率分布，在图中读出差异，从而定位出损伤的位置。实验结果显示，应用HHT技术可以较好的进行复合材料板上的-维损伤定位。     

多孔材料在整流罩内中高频降噪的应用与优化研究

基于JCA模型，采用有限元仿真和声学试验获取了三聚氰胺泡沫和吸音棉的声学参数，采用统计能量分析（SEA）方法建立了某卫星-整流罩的系统级模型。通过与混响室试验结果进行对比，验证了模型的正确性；并通过仿真和试验获取了两种材料对整流罩内噪声环境的降噪效果，分析了厚度、敷设率和敷设位置对降噪效果的影响。结果表明，采用结合Biot理论的SEA方法能有效预测整流罩内中高频噪声环境及多孔材料降噪效果；总降噪量与厚度、敷设率和敷设位置关系紧密，采用多孔材料降噪时应综合考虑以上因素。     

火箭整流罩外气动噪声环境的大涡模拟研究

基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式构造隐式大涡模拟方法（ILES）,对跨声速来流条件下（Ma=0.8）火箭整流罩外噪声环境进行数值模拟。通过与风洞试验结果及国外文献进行对比,ILES方法能够在较粗网格下准确预测壁面湍流脉动特性。跨声速流动在壁面折角处出现分离、再附、激波/边界层干扰现象,均方根脉动压力系数出现峰值,同时该区域噪声能量在全频段都较高,易引起结构抖振效应。最后,根据ILES模拟结果,指出工程常用的外噪声经验公式的不足,并提出改进措施。     

基于演变谱理论和正交化HHT法的冲击响应谱时域信号合成方法

冲击响应谱时域信号是一类典型的非平稳信号,正交化HHT（Hilbert-Huang transform）法是进行非平稳信号时频分析的好方法。文章首先对冲击响应谱试验机实测到的时域冲击信号进行了正交化HHT频谱特性分析,然后将演变谱理论和正交化HHT法相结合,对实测的时域冲击信号进行了人工合成。频谱分析表明:合成的时域冲击信号与实测信号具有较好的一致性,且在信号的非平稳模拟方面,明显优于传统的三角波合成方法。最后,以该方法合成的时域信号为数据基础,进行了冲击响应谱的统计拟合,得到了冲击响应谱数学模型,结果可作为相关试验的输入条件。     

垂直回收火箭可伸缩着陆腿展开的动力学仿真分析

可伸缩着陆腿是实现运载火箭垂直回收的有效途径。相比于着陆过程，火箭着陆腿展开过程涉及的动力学问题更值得特别关注。根据多体动力学方法建立可伸缩着陆腿的虚拟样机模型，针对展开过程开展仿真分析，研究了支腿结构柔性、腿节滑移摩擦力、气动罩气动力及过载等因素对展开时长和展开到位角速度两个关键展开特性指标的影响。结果表明，结构柔性对展开特性影响可忽略，过载对展开特性的影响最大，其次是气动罩气动力和腿节摩擦力。相关研究结果可为用于火箭垂直回收的可伸缩式着陆腿设计提供参考。