运载火箭姿控系统数学仿真软件设计

分析了运载火箭姿控系统箭体动力学运动方程和控制器数学模型特点，并且按照校正网络、执行机构、箭体方程、测量方程顺序设计数学仿真软件。该软件能方便地完成姿控系统数学仿真任务。由于采用三级模块结构设计，该软件具有结构清晰、层次分明、调试简单、功能齐全、使用方便等明显优点。     

卫星在轨分离地面试验方案设计及动态仿真分析

多星分离是一箭多星成功发射之关键技术,为保障卫星在轨顺利分离,需要在地面开展相关的分离试验及其仿真验证。本文针对带橡胶夹层的卫星自旋分离过程,进行了卫星分离地面试验方案设计和数值仿真。首先,给出了卫星分离地面试验设计方案;其次,采用自然坐标法分别对不带工装和带有工装的在轨卫星分离过程进行动力学建模及动态仿真分析;最后,研究了卫星-工装整体动力学建模及分离过程中带工装结构和不带工装结构对卫星分离的影响。     

基于不确定性的飞行器分离可靠性建模与分析方法

为实现飞行器分离任务可靠性的定量分析和高效精确评估，研究了高超声速飞行器分离任务过程中各种不确定性因素对分离可靠性的影响，提出一种基于不确定性的飞行器分离可靠性建模与分析方法。面向高超声速飞行器分离任务需求，建立分离动力学仿真模型，综合考虑分离过程不确定性因素的影响，利用灵敏度分析方法识别主要不确定性因素，构建分离可靠性模型。针对此模型，提出一种改进主动学习Kriging(IAK)的分离可靠性分析方法，通过新的采样策略选取失效概率更大的采样点作为新增训练点，进行高效可靠性分析。实例结果表明，该方法能够准确描述不确定性因素对分离过程的影响，提升分离可靠性定量分析的精度和效率，为飞行器分离方案的精细化设计提供支撑。     

深空探测采样返回起旋分离动力学仿真分析研究

针对深空探测采样返回高精度起旋分离,实现返回器再入大气姿态稳定的需求。在自主研发的被动式起旋分离机构的基础上,以多刚体系统动力学理论为基础,建立返回器起旋分离ADAMS动力学仿真分析模型,开展起旋分离过程综合敏度分析、敏感参数偏差耦合分析以及覆盖性分析研究,以此评估多参数偏差对返回器初始分离姿态的影响。分析结果表明：动力回转轴偏差和返回器横向质心偏差对返回器起旋分离姿态影响最为明显;合理配置动力回转轴及返回器横向质心位置有助于改善初始分离姿态;经多参数偏差覆盖性分析,验证了起旋分离各项指标的符合性。为深空探测采样再入返回高精度、高可靠分离技术的工程实施提供理论指导。     

梦天实验舱初始轨道快速计算策略与分析

初始轨道是航天器入轨评价的关键判据，快速准确计算初始轨道可在入轨异常时为应急救生控制赢得时间。针对传统初始轨道计算方法时间与精度不能兼顾的问题，设计了初始轨道快速计算策略，根据运载火箭加速度变化率来判断舱箭分离时间，采用基于动力学约束的实时轨道滑动批处理方法累积超短弧分离后数据计算初始轨道，对利用各种数据源确定的多组初始轨道进行逻辑优选判断。通过梦天试验舱仿真数据验证表明:使用该策略计算初始轨道，可达到事后精密定轨同等精度，计算时间控制在1 min以内，时效性远超事后精密轨道确定方法。     

在轨释放、分离载荷动力学仿真研究

某些航天器需要在飞行过程中释放、分离载荷,由此涉及的动力学问题,关系到航天器平台与载荷的控制。文章主要对此类航天器的多体动力学问题进行研究,基于机械系统动力学仿真分析（ADAMS）软件平台建立了包括航天器平台、载荷和两类分离机构等在内的仿真模型,通过对三种在轨释放、分离载荷方案的分离过程动力学仿真结果对比分析以及参数化仿真分析,为载荷释放、分离方案设计提供参考。     

基于蒙特卡罗方法的小卫星偏心分离动力学分析

对小卫星单星偏心分离动力学进行了研究。建立了基于多体动力学理论的偏心在轨分离模型,用ADAMS平台对小卫星分离过程动力学进行仿真,结果显示两者误差小于0.15%,验证了仿真模型的正确性。用Monte-Carlo法对分离动力学性能进行了优化,分析了不同因素对分离角速度和分离速度的敏感度,给出了三种优化方案。     

一种多星测控下行多址干扰分析方法

针对一箭多星发射过程中的多星测控问题,提出了一种适用于多星星地测控链路的下行码分多址干扰分析方法,构建了星箭联合体电磁仿真简化模型,并采用电磁仿真预测与多星干扰强度分析相结合的方法,评估受干扰信号的干信比上限,检验系统的兼容性。以构型为串联结构形式一箭双星发射的某中高度轨道双星为例,根据其主动段双星所处的构型布局和使用时机的复杂约束,分析评估单站同时接收双星下行码分多址扩频测控信号的多址干扰强度,并进行了双星主动段的在轨飞行试验。结果表明:该方法可有效分析多址干扰强度,满足工程实际应用需求。电磁仿真预测与多星干扰强度分析相结合的方法,为检验星地系统参数的兼容性,以及星箭飞行控制过程中地面站的使用策略提供了有效的支撑,可为类似的多目标工程应用提供参考。     

姿控载荷多约束下的内外弹道联合优化

为提升固体运载器整体性能,提出一种姿控载荷多约束的内外弹道联合优化建模方法。首先,建立固体运载器内弹道计算模型和外弹道计算模型,给出大风区和级间分离的姿态控制模型以及杆状减阻装置载荷计算模型。其次,以灵敏度分析方法选择出内外弹道设计参数作为优化设计变量,将姿控摆角需求、减阻杆承载能力作为约束条件,建立以射程最优为目标的优化模型。最后,将该方法应用在某三级固体运载器的优化设计中,以差分进化算法开展仿真校验,射程提高了10.8%,并且优化结果满足姿控和载荷约束。     

荧火一号火星探测器姿控平台验证演示技术

设计了一种基于STK轨道动力学的萤火一号(YH-1)火星探测器姿控仿真平台.介绍了平台的组成和信息交互、STK场景建模及接口设计.平台结合火星环境和探测器轨道特点,利用STK轨道计算功能,实时输出探测器环火轨道参数至动力学计算机,并接收动力学软件产生的探测器姿态信息,以此为基础进行姿控分系统半物理仿真试验及整器闭环试验,在STK动态场景中对探测器各姿控模式进行验证及演示.     

多星与上面级非对称分离技术研究

对多星与上面级非对称分离技术进行了研究。针对上面级多星非对称分离存在较大偏心的特点,通过优化调整,使用不同大小弹簧力的匹配抵消上面级转动的影响,减小了因卫星相对上面级偏心布置导致的分离力对卫星和上面级姿态的干扰。根据总体偏差量的概率模型,用蒙特卡洛仿真法统计出卫星姿态角和角速度的概率分布规律。     

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。     

皮卫星分离参数优化

为实现“浙大皮星二号”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星分离机构进行了设计、理论分析及优化。通过对分离系统动力学特性分析,得出了影响该分离系统的关键因素,同时对星箭分离机构运动系统进行了优化,并进行了试验验证。仿真分析及试验结果表明：该设计能够完全满足分离机构分离速度和角速度要求,星箭分离过程的仿真分析和试验校验了“浙大皮星二号”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速度均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

一种用于探测器地外天体起飞试验的位姿及运动模拟装置

为了实现地外天体的表面详尽勘测,探测器需进行着陆、采样、返回等活动。为确保采样返回任务的成功,探测器在研制中需进行各种空间环境模拟试验评价。针对探测器返回起飞过程中的环境模拟试验,文章提出了采用六自由度Stewart平台作为位姿及运动模拟装置。该装置有静态和动态位姿调整两个基本功能,其中静态位姿调整用来模拟不平的地形对探测器的返回模块返回起飞的影响,动态位姿调整用来模拟返回模块与着陆模块之间的相对运动。位姿及运动模拟装置的控制为上位机+下位机工作模式,由上位机设置模拟装置的运动参数,并将运动参数传输到下位机进行控制。经过模拟试验测试证明,该装置能够满足探测器返回起飞的位姿及运动的模拟试验要求。     

先进上面级变轨段姿态解耦控制研究

针对多星部署先进上面级变轨段三轴姿态严重耦合以及主发动机开机引起的较大干扰力矩问题,研究了基于反馈线性化的姿态解耦算法。通过给出上面级多星部署任务中的坐标系和姿态角定义,建立了欧拉角描述的姿态动力学与运动学方程。分析了推力矢量与姿控发动机的控制方案,描述了该方案中主发动机、伺服机构和姿控发动机的配置结构,推导了推力矢量控制中的主发动机摆角计算公式和主发动机工作时质心偏移引起的干扰力矩。基于反馈线性化理论,设计了上面级姿态解耦控制律。算例验证结果表明姿态角速率误差和姿态角误差能够快速趋于1°/s和0.5°。文中设计的姿态解耦控制算法具有良好的稳定性和可行性。     

激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题，本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点，获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数，实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明：航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响，利用本方法进行误差分离后，LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64.9 μrad下降到误差分离(6条链路)后的21.1 μrad，有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。     

软着陆验证试验中月面特性模拟方法

月面特性的模拟是月面软着陆验证试验的重要设计因素。文章结合探测器的设计状态和试验需求,论述了月面特性模拟的具体要求;基于月面地形统计分布规律,实现了月面原始形貌的模拟;通过高程剔除设计和模块化组合设计,实现了对多种典型月貌的快速模拟;最后通过月表反射特性的模拟,全面满足了试验要求,并取得了良好的试验效果。文中所述的模拟方法可为我国后续行星表面探测器及着陆技术的验证提供借鉴。     

载荷—火箭分离导向机构参数设计及动力学分析

针对载荷—火箭分离中易碰撞以及载荷部姿态的问题,以多体系统动力学理论为基础,在ADAMS中建立了针对一种新型分离导向机构的载荷—火箭分离虚拟样机模型,分别就分离导向机构支柱刚度、高度、滚轮与载荷部之间预载对分离结果的影响进行了计算分析。结果表明：刚度与高度的取值越大,分离过程中的分离最小间隙就越大,越有利于火箭与载荷部的成功分离;预载主要影响载荷部的姿态。基于此结果,设计了一套分离导向机构的匹配参数,并结合姿态控制律,利用ADAMS与Simulink软件包进行联合仿真,校验了这套设计参数可以保证火箭与载荷部的正常分离,姿控系统可以纠正载荷部的姿态偏差。本文采用的研究方法以及所获得的结论对采用该形式分离导向装置的载荷—火箭分离问题具有普适性。     

天问一号着陆器大底分离安全性分析与验证

针对天问一号着陆器大底分离过程,建立大底分离动力学模型并分析分离安全性,基于分析结果设计了大底分离策略.利用大底分离动力学模型和近距离扰动气动模型,分析了分离过程的相对速度和姿态运动规律,根据大底与着陆器的正分离要求确定了大底分离的最小弹射速度.考虑到着陆器姿态运动影响分离安全性,对着陆器施加角速度阻尼控制并限制了最短...