多自由度振动环境下惯组非线性传递特性研究

惯组作为飞行器姿控系统的传感器,其局部安装结构的传递特性的测量精度直接关系到导航精度。目前,惯组普遍使用减振器进行隔振,而减振器都呈现出较强的非线性特征。为了考察惯组在不同工况下的传递特性,将惯组简化为六自由度Duffing模型,推导了基础激励下系统的运动微分方程,并用龙格-库塔法对方程进行求解,分析了自由衰减振动和强迫振动下不同工况的系统传递特性。结果表明,多自由度激励比单自由度激励工况得到的系统传递特性的频率和幅值都低。考虑到惯组真实的使用环境,应当在多自由度振动环境下进行传递特性试验。     

地磁传感器在自旋导弹惯测组合中的应用研究

为了提高自旋导弹控制的性能,采用自旋导弹的惯测组合来扩充实时测量导弹在飞行过程中运动状态的能力。由于目前速率陀螺的量程和精度都不能满足测量自旋导弹大旋转速度的需求,因此在惯测组合中用地磁场传感器代替速率陀螺来测量绕弹体纵轴的角速度。本文主要利用地磁场传感器组合对自旋导弹滚转角、滚转周期的确定原理及工程可实现性进行研究,给出了采用敏感轴分别在弹体坐标系Oy1和Oz1方向的2个地磁场传感器实现自旋角速度测量的结构设计,分析了产生奇异的条件和地磁场传感器惯测组合的可行性,推导了利用地磁场传感器实现滚动角和滚动周期测量的计算公式和计算流程,对所研究的结果通过了实物试验验证。     

典型飞行器线角复合振动环境再现技术

为在实验室条件下再现某飞行器系统经历的线振动与角振动复合环境,在分析实测飞行环境数据的基础上,采用虚拟响应点方法对试验控制波形进行解算;通过搭建专用试验系统,采用时域波形复现的方法实现了线角复合振动的间接控制。试验结果表明:该模拟试验方法在频率1000 Hz以内能够较好地复现飞行器的飞行环境特征,为再现外场振动环境提供有效的解决途径。     

惯组误差天地一致性检验方法探讨

以捷联挠性惯性测量组合(简称惯组)为例,探讨了一种在惯性仪表冗余条件下,利用飞行试验遥测数据分离惯组误差系数,检验惯组误差天地一致性的方法.首先介绍了基于遥测数据分离惯组误差参数的方法和判断天地一致性的方法,然后从参数间的相关性、分离精度两方面分析了方法的有效性,实例分离结果证明了方法的有效性.本方法可以有效解决外测精度难以满足惯导系统误差系数分离精度要求、用遥外速度差分离误差系数时参数间强复线性相关的困难,能可靠检验惯组误差的天地一致性.     

月球探测器力学环境研究及试验条件制定

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验。文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法。对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件。所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证。     

光纤陀螺测量卫星结构角振动的地面试验验证

针对结构角振动对卫星光学载荷成像影响大,且在轨微振动实时测量较困难的问题,文章对比了国内外角振动测量方法,提出利用光纤陀螺实时测量角振动方法,利用角振动激励台对光纤陀螺测量结果进行了标定,其测量精度满足要求,并测量了动量轮组合工作模式下的卫星载荷安装板的角振动特性。地面试验结果表明:此测量方法合理可行,可为增强卫星在轨的抗振性、提高有效载荷指向精度和稳定度提供参考。     

一种卫星微角振动高精度测量方法

卫星微振动引发的结构微角振动限制了高精度卫星指向精度和姿态控制稳定性,因此有必要对其进行在轨测量。为准确测量卫星结构微角振动,文章在对比不同的测量方法后,提出了一种基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)微角振动传感器的卫星结构微角振动高精度测量方法,并针对由动量轮引起的有效载荷微角振动的特性,进行了仿真和试验验证。试验结果表明,其测量精度满足现阶段卫星控制的要求。此方法能为卫星扰动源的定位及卫星的主动减振反馈提供依据。     

捷联惯组空间五点减振的振动耦合分析

针对某型光纤(FOG)捷联惯组(SINS)的轻量化设计要求,采用了空间五点减振的布局方案。基于弹性中心理论计算了空间五点减振系统的弹性中心和偏心量,在捷联惯组存在质心偏移的情况下,增设第五点减振器可以将减振系统的弹性中心和捷联惯组惯性测量系统质心之间的偏心量减少到1.42mm。从刚体动力学出发对振动耦合的解耦条件进行了讨论,指出捷联惯组在惯性主轴偏移的情况下,空间五点减振系统无法实现角振动的解耦,但是通过调整IMU结构布局的质心,或通过调整减振器的刚度比,都可以实现线振动和角振动的解耦。用有限元方法对上述两种解耦方案下捷联惯组的冲击响应进行了计算,仿真结果表明,调节质心和调整减振器刚度两种方法对于降低IMU振动耦合的效果均较为理想,由线冲击引起的角振动降低了约29~100倍。     

力限技术在航天器振动试验中的应用

为了在正弦振动试验中模拟真实的飞行环境,防止因“过试验”而导致航天器结构发生不必要的破坏,需要对试验条件进行下凹控制。在以往的加速度下凹控制方法的基础上,引入力限控制方法可以提高航天器主频处下凹控制的精度和有效性。文章分析了传统加速度下凹控制方法的局限性,并以某结构星力限控制试验为基础,阐述了结构星力限试验条件的制定方法,介绍了力限双控试验平台设计,并分析了试验结果。经分析表明,力限控制具有较高的控制精度,在加速度控制的基础上引入力限控制的“双控”试验方法,能够有效解决航天器振动试验中的“过试验”和“欠试验”问题。     

晃动基座初始对准环境建模与仿真

针对火箭初始对准时存在外界扰动,提出一种适用于风扰动的初始对准环境建模与仿真方法,可用于运载火箭扰动环境下初始对准仿真验证.根据风场特性和振动理论,分别建立了地面风和风干扰下的箭体振动模型,实现了晃动基座下的环境仿真和对捷联惯组测量输出的模拟.仿真结果显示,箭体振动特性与实测值一致,所模拟的惯组输出与箭体晃动吻合,表明模型正确有效.该方法能够为晃动环境下初始对准仿真研究提供更加符合实际特性的数据源.     

固体火箭尾舱热环境研究

对固体火箭尾舱热环境的组成成分进行了分析，利用理论和数值仿真方法，给出固体火箭沿真实飞行轨道条件下的热环境预示结果，并与地面试验及飞行试验测量结果进行对比。结果表明，固体火箭尾舱热环境存在天地差异，在地面发动机试车状态时，尾舱热环境以喷流辐射热流为主；真实飞行状态时，在发动机喷流和高速来流的相互作用下，火箭尾舱还存在量值更大的对流热流。针对固体火箭尾舱对流热环境提出的线性化热学参数单一介质数值模拟方法可用于固体火箭尾舱热环境设计。     

燃气发生器固定连接结构可靠性改进设计

为满足某火箭发动机燃气发生器固定连接结构长期贮存和长时间高温环境下可靠工作的要求,在保证原固定连接结构形式不变的前提条件下提出了改进设计方案。新的方案采用不锈耐酸钢和高温合金钢替换原普通碳钢,同时采用了新的焊接工艺方法。为了验证新卡箍连接强度和动态特性,进行了模态分析和动应力/动应变理论计算、强度破坏和振动试验。最后通过地面热试车和飞行试验对改进设计方案进行了验证,结果表明新的卡箍提高了结构连接可靠性,完全满足发动机使用要求。     

Suborbital and low-thermospheric experiments using sounding rockets in Taiwan

The suborbital flight is a kind of flight, which reaches the space and then comes back to ground without completing one orbital revolution. The atmospheric thermosphere extends from 85 km to 600 km in altitude. Therefore, the suborbital and low-thermospheric experiments to be performed at altitude below 300 km can be combined using the sounding rocket. These experiments include rocket staging, fairing separation, ultrasonic flight, reentry, aerobrake and recovery test, ultraviolet and ionization observations, ozone measurement, etc. The advent of Taiwan's sub-orbital and thermospheric experiments project can be traced back to 1997. This is the year Taiwan's National Space Organization (NSPO) was assigned to be responsible for procuring the sounding rocket for applications in science experiments and space technology research effort. From 1997 to 2010, 8 launches have been completed including one experimental hybrid rocket. All onboard instruments and sensors for sub-orbital and low-thermospheric experiments are developed and integrated by the domestic universities. More launches have been planned in the future. Opportunities for international cooperation in developing new instruments and payloads for future experiments will be possible.     

多机并联火箭羽流流场及其底部热环境分析

For the problem that the plume flow field structure of a multi engine parallel rocket is complicated and the bottom thermal environment is extremely harsh, which may cause the failure of the engine structural components, the plume flow field and thermal environment at different altitudes are studied through numerical simulation. The result is compared with the measured results in flight which shows that when the rocket is flying at a low altitude, the plume of the engines do not interfere with each other. As the flight altitude increases, the plumes gradually expand and begin to interfere with each other, and finally there is an obvious backflow at the bottom of the rocket. The maximum heat flux at the moment of take off is basically the same as the measured value in flight. Before the backflow occurs, the heat flux mainly consists of radiant heat, the convective heat flow increases as the flight altitude grows, but it is also much smaller than the peak heat flow at takeoff. The result has certain guiding significance for the optimal design of engine structure thermal protection.     

宽频角振动地面模拟试验设备的研制

为了解并减小探月着陆系统之敏感器容易受到宽频角振动影响的任务风险,有必要进行宽频角振动地面模拟试验。文章首先提出了宽频角振动的振动转换结构和测量方法,在此基础上完成了试验设备的研制,之后针对探月着陆系统成像敏感器遭遇的角振动环境进行了地面模拟测试。测试结果表明:该试验设备的宽频角振动模拟频率范围为0~2000 Hz,控制精度达到±15%（2σ）,同时还可模拟包括平移和转动在内的着陆系统刚体运动。该设备已用于敏感器在角振动环境下的地面模拟试验验证。     

多用途飞船返回舱虚拟振动试验研究

利用虚拟振动试验软件系统、多用途飞船返回舱的有限元模型和"神舟一号"返回舱的历史试验数据,对多用途飞船返回舱进行虚拟正弦和随机振动试验,考核了返回舱经受动力学环境的能力,研究发现设计方案在一阶共振区响应过大,存在较大的设计缺陷,经过多次迭代优化设计后的模型满足设计要求。研究结果为多用途飞船返回舱的设计和优化提供了依据。     

一种单自由度振动系统动态载荷识别方法

航天器在飞行过程中经历了复杂的力学环境,但是目前又无法直接测量出这种复杂力学载荷函数。针对这一问题,提出了一种应用力学载荷识别方法确定航天器所经受力学载荷的新方法,针对单自由度振动系统模型,以二次多项式为基函数,推导建立了基于Duhamel积分的动态载荷识别模型。仿真分析结果表明,该方法具有很高的识别精度,且不存在误差积累问题。该方法为下一步试验验证和工程应用提供了理论基础和技术支撑。     

Electrification of a rocket during its launch and motion in the atmosphere along active part of the trajectory

We studied the process of electrification of a rocket during launch and flight in the atmosphere at the active part of its trajectory. The values of charge, field strength, and rocket potential at the launch are estimated. Charging and discharging currents are determined for a rocket flying through clouds and precipitation, and solutions expressing the time variation of the rocket’s charge are found. The values of charge, field strength, and rocket potential are obtained as functions of time, together with the engine plume represented as a charged plasma structure. The rocket’s charge is shown to tend to an equilibrium state, and the time of reaching it is found. Mechanisms limiting the charge value are considered, and the conditions of origination of an electric breakdown (lightning) between the rocket and atmosphere are determined.     

液体火箭推进系统频率特性的灵敏度分析

针对液体火箭飞行过程中POGO振动对火箭系统的不利影响,建立了液体火箭推进系统动力学模型,以区间数学为理论基础,对推进系统频率特性进行灵敏度分析,得到了推进系统的流体惯性、阻力和刚度参数对推进系统频率特性的影响规律。研究结果表明：液体火箭推进系统振动频率对流体惯性参数的敏感程度比流体阻力参数和流体刚度参数明显大,泵前短管流体惯性的变化对推进系统振动频率的影响最大,补偿管路流体刚度的变化对推进系统振动频率的影响最小。为合理设计推进系统的动力学参数,降低推进系统的振动频率,抑制 POGO 振动的发生提供理论依据。