基于Matlab/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真

以CZ系列运载火箭为对象,提出了一种基于MATLAB/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真的方法。采用模块化的建模思想,建立决定箭体运动相关部分的数学模型,包括空气动力模型、发动机推力模型、六自由度运动学模型,然后对各个子模块分别采用Simulink建立单元仿真模型。通过对单元仿真模型的集成得到了火箭6自由度运动的仿真模型,基于该仿真模型进行了单元仿真。对比实测数据,证明提出的方法可行,模型建立正确。     

自旋导弹飞行共振稳定性研究

弹体滚转时,结构不对称等因素会对导弹的角运动产生周期性的强迫干扰。针对自旋导弹飞行过程中的周期性干扰和非线性气动特性,建立了非线性弹体角运动模型。在此基础上,采用多尺度法对自旋导弹的受迫角运动方程进行了求解,得到了近似解析解并研究了其稳定性。研究表明,当弹体转动速率接近固有频率时,气动非线性项及干扰项都将影响弹体角运动的稳定性;分析结果显示,合理地设计气动外形可避免共振不稳定的发生,这对自旋类导弹的工程研制具有一定的指导性意义。     

大型捆绑火箭模态纵向分量对姿控系统的影响分析

针对助推段固体捆绑火箭纵-横-扭强耦合的模态特征,在小变形假设下推导了某型 固 体捆绑火箭姿态动力学模型,系统分析了模态纵向分量对箭体姿态运动和弹性变形的影响。 研究表明,模态纵向分量对箭体姿态运动影响较小,但会加大速率陀螺特别是滚动通道速率 陀螺输出信号的高频抖振,这一现象是捆绑火箭因助推器的存在所固有的。模态纵向分量容 易和部分“呼吸”模态和扭转模态发生耦合,但对横向弯曲模态基本无影响。〖JP〗     

基于相关匹配的弹道中段目标章动角估计

章动角是弹道中段目标的重要进动特征,可用于识别弹头和诱饵。首先提出了基于相关匹配的章动角估计方法,将观测的目标雷达截面积（RCS）序列与不同参数下的RCS序列模板进行相关匹配,搜索匹配函数的最大值,从而得到章动角的估计值。然后给出了具体的实现算法,将初始时刻的采样间隔设置为脉冲重复周期（PRI）的整数倍或1/K（K为整数,且K≥2）,在此基础上减少了匹配函数的计算量,并且可通过单层或多层相关匹配来估计章动角。仿真结果表明,由于RCS测量存在系统误差,相关匹配的章动角估计性能远优于最小二乘匹配。同时分析了全姿态RCS数据的角度采样间隔对相关匹配估计性能的影响。最后比较了多层相关匹配和单层相关匹配的估计性能和计算量。     

固体火箭点火超压形成机理与影响因子研究

为研究固体火箭点火超压的形成机理和影响因子，以Ariane 5火箭固体助推器1/35缩比模型为研究对象，〖JP+1〗基于可压缩气体三维Navier-Stokes方程建立固体火箭尾焰流场的数学模型。同时，使用有限速率/涡耗散模型表征尾焰复燃反应，采用有限体积法求解火箭尾焰流场控制方程，得到箭体尾部近场的点火超压幅值与分布情况。与试验数据比较，数值结果较好的反映了点火超压的过程特性。进而，采用该数学模型和求解方法，研究了点火超压的影响因子。计算结果表明，尾焰复燃反应对点火超压的影响较小，与无复燃反应的计算结果比较，点火超压的峰值相对变化幅度不大于1.85%，点火超压的波形与分布特性的变化可以忽略；建压速率越快，点火超压峰值越大，且呈非线性比例关系增长；喷管膨胀比主要影响点火超压的波形，对其峰值影响较小。     

复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响

为了研究垂直起降液体火箭在返回阶段发动机反向喷流及复燃对箭体着陆支腿和底部热环境的影响,建立了尾焰复燃、流场及光谱辐射计算模型。在国内率先对垂直起降液体火箭在返回阶段的箭体底部热环境进行了数值计算,流场计算采用商业软件,复燃反应使用有限速率化学反应模型;采用HITRAN数据库获得喷流气体组分的光谱吸收系数、正反光线踪迹法求解辐射传递方程。利用文献实验结果,对计算进行了验证并考察了复燃对底部热环境的影响。结果表明:复燃反应对包括箭体底面、侧壁面及着陆支腿的对流和辐射热流密度均会明显升高,最高可达80%以上。因此,研究成果适用于液体火箭返回阶段底部精细化热设计,且在设计过程中有必要考虑复燃的影响。     

控制系统数字化仿真技术

控制系统数字化仿真技术采用自主开发的新的建模方法，对高达七八十阶的微分方程组的运载火箭动力学方程未作任何简化和弹性峰值补偿，将针对各种飞行状态的火箭箭体参数变化用预处理的方法进行技术处理，不但克服了小型仿真机内存小的困难，而且大大缩短了箭体方程解算帧时，在小型机上实现了多波道同时进行的高精度的实时仿真模型。     

携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究

本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为.将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型.首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义.研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率.此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋.     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

基于视觉的飞行器运动参数串行式递归估计

针对利用视觉方法进行飞行器运动参数估计中旋转与平移参数耦合及计算量大的问题 ,设计了一种适用于递归方法的串行式运动参数估计模型。证明了旋转运动参数的估计不依 赖于平移参数,据此建立了基于特征线的旋转运动参数估计模型,进而设计了串行式运动参 数估计模型。给出并证明了利用该模型进行运动参数估计时解的唯一性结论。仿真实验和实 测试验表明：相对于集中式模型,使用串行式递归模型进行飞行器运动参数估计时计算耗时 减小、姿态精度更高、鲁棒性更强。
     

空间失稳目标线阵成像畸变分析与三维重建

针对线阵扫描型激光雷达在非合作失稳航天器三维模型重建过程中，存在运动目标线扫数据畸变且目标因失稳导致运动特性难以准确估计问题，提出一种带畸变自修正式三维重建方法，并进行畸变容忍度临界值分析。该方法基于测量系统的角精度与测距精度设计畸变容忍度临界值判定条件，首先根据实际工况与判定条件进行比对，判定是否对线扫数据进行初始畸变恢复；其次，对相邻扫描带畸变点云依次进行配准获取目标运动增量、解算目标瞬时运动参数；然后对目标运动参数进行自修正式处理，去除特征突变点干扰；同时依次恢复点云到初始几何位置，完成初始目标三维重建；最后，通过系统进一步迭代，位姿增量自收敛直至最终满足重建精度要求。仿真结果表明，该方法在缺失非合作目标先验信息的情况下，能够有效避免因线扫描导致的畸变问题，并较为快速地实现满足精度要求的目标三维重建，有较强的鲁棒性。     

Asymptotic study of a complete magnetic attitude control cycle providing a single-axis orientation

The angular motion of an axisymmetrical satellite equipped with the active magnetic attitude control system is examined. Attitude control system has to ensure necessary orientation of the axis of symmetry in the inertial space. It implements the following strategy: coarse reorientation of the axis of symmetry with nutation damping or “-Bdot” without initial detumbling; spinning-up about the axis of symmetry to achieve the property of a gyro; fine reorientation of the axis in the inertial space. Dynamics of the satellite is analytically studied using averaging technique on the complete control loop consisting of five algorithms. Solutions of the equations of motion are obtained in terms of quadratures for most cases or even in closed-form. The latter allowed to study the dependence of motion parameters including time-response with respect to the orbit inclination and other parameters for all algorithms.     

火箭飞行异常遥测天线实时跟踪角度预测研究

针对火箭飞行异常下的遥测天线继续实时跟踪难的问题,提出一种飞行异常后的实时跟踪角度的预测方法。首先介绍几种常用坐标系以及坐标系之间的转换关系,并将火箭飞行异常后的运动简化为考虑惯性速度的自由落体运动,给出自由落体速度模型和实时跟踪角度的计算方法步骤。设计仿真实验,验证方法的有效性,可以作为火箭飞行异常后遥测天线实时跟踪角度预测的有效参考。     

细长体双自旋卫星消旋主动章动控制动力学解耦的系统仿真

细长体双自旋卫星自旋部分的能量耗散会导致卫星章动运动的发散。利用消旋体的惯性积在动力学上的耦合作用,使消旋电机的轴向力矩通过耦合,产生横向力矩来阻尼章动,称之为消旋主动章动控制（ＤＡＮＣ）［１］。本文提出一种利用动力学解耦的仿真方案,用单轴平台进行细长体双自旋卫星消旋和章动控制的系统试验,验证了系统的可行性。     

旋转固体火箭发动机飞行器章动不稳定机理述评

针对旋转固体火箭发动机发射小卫星最末级出现的章动现象,分析了其不稳定机理.根据实际观测的飞行数据,分析了飞行器章动不稳定性的特点,给出了几种可能导致飞行器发生侧向角运动的不稳定性机理,并结合实际情况,对各种机理进行了分析.结果显示,飞行器不稳定运动的主要原因是飞行器的质量变化、内部气流的非稳态流动与飞行器姿态运动的相互...     

自由飞行态主动式自旋稳定姿态控制

为改善航天器在自由飞行状态下的自旋稳定姿态控制精度，在分别采用消章和消偏的基础上，提出了一种消章消偏综合控制方法，并选用带消偏约束的消章控制法，对桌细长型航天器的姿态控制进行了仿真试验。理论分析和实验结果表明，该控制法的姿态角控制精度较高，所用时间较短，可满足控制精度的要求。     

Modes of uncontrolled rotational motion of the <Emphasis Type="Italic">Progress M-29M</Emphasis> spacecraft

We have reconstructed the uncontrolled rotational motion of the Progress M-29M transport cargo spacecraft in the single-axis solar orientation mode (the so-called sunward spin) and in the mode of the gravitational orientation of a rotating satellite. The modes were implemented on April 3–7, 2016 as a part of preparation for experiments with the DAKON convection sensor onboard the Progress spacecraft. The reconstruction was performed by integral statistical techniques using the measurements of the spacecraft’s angular velocity and electric current from its solar arrays. The measurement data obtained in a certain time interval have been jointly processed using the least-squares method by integrating the equations of the spacecraft’s motion relative to the center of mass. As a result of processing, the initial conditions of motion and parameters of the mathematical model have been estimated. The motion in the sunward spin mode is the rotation of the spacecraft with an angular velocity of 2.2 deg/s about the normal to the plane of solar arrays; the normal is oriented toward the Sun or forms a small angle with this direction. The duration of the mode is several orbit passes. The reconstruction has been performed over time intervals of up to 1 h. As a result, the actual rotational motion of the spacecraft relative to the Earth–Sun direction was obtained. In the gravitational orientation mode, the spacecraft was rotated about its longitudinal axis with an angular velocity of 0.1–0.2 deg/s; the longitudinal axis executed small oscillated relative to the local vertical. The reconstruction of motion relative to the orbital coordinate system was performed in time intervals of up to 7 h using only the angularvelocity measurements. The measurements of the electric current from solar arrays were used for verification.     

Stabilization of a Reentry Vehicle by a Partial Spin-up during Uncontrolled Descent

Stabilization of a reentry vehicle (RV) by a partial spin-up of it is considered for the case of uncontrolled descent into the atmosphere. In this case, the vehicle is a composite construction consisting of two rigid bodies, a return capsule and a stabilizing block, which is put in rotation. A model is developed for the spatial motion of the reentry vehicle considered as a system of coaxial rigid bodies rotating about a common axis of symmetry. The free motion is studied, and the stability of steady-state regimes is analyzed. The spatial motion of the system is considered for the case of a small asymmetry due to displacement of the axes of dynamic symmetry of the bodies with respect to the spin axis, and approximate solutions for the motion parameters of the free system are found.     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。