非均匀气动加热下隔热层结构的优化设计

为获得非均匀气动加热条件下高超声速飞行器不同部位的合适的热防护系统厚度,发展了一种基于网格变形技术（ASD）的隔热层结构优化方法。以高超声速飞行器的复合材料隔热层结构为研究对象,采用有限元法在局部均布热流载荷、三角形均变热流载荷和二次函数热流载荷等作用条件下建立隔热层结构的热固耦合分析模型,提出了基于ASD技术与热固耦合分析相结合的结构轻量化设计方法。结果表明,基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题,并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线,优化后更充分发挥了隔热层结构各层材料的承载能力。     

一种使用磁力矩器管理双自旋航天器角动量的方法

针对一种新型采用双自旋设计进行对地遥感任务的航天器，提出了一种使用磁力矩器对旋转载荷角动量进行管理的方法。使用旋转载荷固连正交安装的三只磁力矩器，在旋转过程中连续输出周期性变化的磁矩，使自转一周过程中产生的合角动量方向仅沿自转轴方向，避免在其他两轴方向产生角动量累积。该方法在工程上可行性好，仿真结果表明旋转载荷角动量持续保持在期望值附近，不随时间累加。     

Attitude control schemes for the first recovery mission of India

This paper describes the attitude control schemes for the various phases such as acquisition, on-orbit, orbit maneuver, de-boost maneuvers and coast phases of the India's first recovery mission Space Capsule Recovery Experiment-I (SRE-1). During the on-orbit phase, the SRE was configured to point the negative roll axis to Sun. The attitude referencing of SRE-1 was based on dry tuned gyros with updates from the attitude determined using on-board Sun sensors and magnetometer. For attitude acquisition, attitude maneuvers and for providing the velocity corrections for de-orbiting operations; a set of eight thrusters grouped in functionally redundant blocks were used. The control scheme with thrusters was based on proportional derivative controller with a modulator. In order to ensure micro-gravity environment during the on-orbit payload operations a linear quadratic regulator (LQR) based control scheme was designed to drive an orthogonal configuration of magnetic torquers which in turn produced three-axis control torque with the interaction of Earth's magnetic field. Proportional derivative control scheme with modulator was designed to track the steering commands during the velocity reduction as well as during the coasting phase of the de-orbiting operations. A novel thruster failure detection, isolation and reconfiguration scheme implemented on-board for the de-orbiting phase is also discussed in this paper.     

运载火箭控制系统半实物仿真实时网络技术应用研究

针对新一代运载火箭组合化、系统化、通用化的特点,必须在现有的运载火箭控制系统半实物仿真试验的基础上,建立新型的运载火箭控制系统分布式半实物仿真系统,实现仿真设备的组合化、功能的多样化。本文从系统总体角度出发,对运载火箭半实物仿真试验实时网络设备进行深入分析和科学选型,同时对其接口软件进行设计,以提供实时网络各节点之间高效、方便的通信接口。最终设计出比较完备的运载火箭半实物仿真试验实时网络集成方案,确保各种仿真设备能够连成一个有机整体,形成仿真试验能力。     

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。     

微小卫星解锁分离装置主结构设计分析及优化

文章介绍了某小卫星包带式星箭解锁分离装置初样产品的设计方案,建立了该装置的有限元模型,并通过轴向压缩静力试验验证了该模型的有效性。卫星用质心处的集中质量点代替,对解锁分离装置进行了模态与静力分析,验证了其主结构设计的合理性,同时还具有较高的安全裕度和可优化空间。以卫星总质量为目标函数,解锁分离装置主结构各构件的壁厚为设计变量,并以初样产品的横向、轴向和扭转的基频以及其主结构强度满足设计要求为约束条件,进行了灵敏度分析和优化设计,优化后的解锁分离装置总质量减少了1.5 kg。     

A cost-engineered launch vehicle for space tourism

The paper starts with a set of major requirements for a space tourism vehicle and discusses major vehicle options proposed for this purpose. It seems that the requirements can be met best with a Ballistic SSTO Vehicle which has the additional advantage of lowest development cost compared to other launch vehicle options — important for a commercial development venture.

The BETA Ballistic Reusable Vehicle Concept is characterized by the plug nozzle cluster engine configuration where the plug nozzle serves also as base plate and re-entry heat shield. In this case no athmospheric turn maneuver is required (as in case-of the front-entry Delta-Clipper DC-Y concept). In our specific case for space tourism this mode has the avantage that the forces at launch and reentry are in exactly the same direction, easing passenger seating arrangements. The second basic advantage is the large available volume on top of the vehicle providing ample space for passenger accomodation, visibility and volume for zero-g experience (free floating), one of the major passenger mission requirements. An adequate passenger cabin design for 100 passengers is presented, as well as the modern BETA-STV Concept with its mass allocations.     

临近空间飞行器多物理场耦合建模的网格映射方法

临近空间飞行器的研制面临许多复杂的问题和挑战,涉及总体、气动、结构、控制、防热、动力等多个学科和专业领域的相互作用、高度耦合的子系统。全系统、全流程的仿真验证与性能评估能够为设计工作提供重要依据,缩短研制周期。而气动、结构、防热等专业的仿真建模和模型解算基于有限体积法或有限元方法,依赖于不同的工具软件,且网格的划分方法不同。本文研究了临近空间高超声速飞行器多物理场耦合建模方法,研究并实现了异构网格耦合界面之间与耦合域之间的信息传递方法,从而实现了临近空间高超声速飞行器的多物理场耦合建模与仿真。     

热防护系统分区协调耦合推进方法

提出一种适用于热防护系统(TPS)热控性能研究的分区协调耦合推进方法，其中采用有限体积法(FVM)进行气动热分析，FVM空间离散采用NND格式，而结构传热采用有限元法(FEM)进行分析，且在耦合面采用基于控制面的双向映射插值方法进行数据传递。进行了圆管算例分析，2 s时刻驻点处温度计算值与试验值相对误差为4.95%。研究了空天飞行器头锥TPS的热控性能，非耦合方法获得的防热瓦和应变隔离垫(SIP)最高温度分别比耦合结果高114.4 K和32.6 K，这是由于非耦合方法未考虑壁面温度升高对气动热的反馈作用，而耦合方法充分考虑了此影响。采用高热辐射率的涂层、低导热系数和较厚的防热瓦能有效提高热防护系统的隔热性能和降低主动冷却系统的功率和重量，而防热瓦最高温度对其导热系数和厚度不敏感。     

超空泡航行体流体动力数值研究

超空泡技术作为水中航行体增速减阻的重要手段已经成为了共识。超空泡航行体作为目前最具有应用前景的水下航行体,对其流体动力变化规律的研究具有重要的意义。基于有限体积方法,结合N-S方程与空化模型,建立了超空泡航行体自由运动的非定常流场求解数值模拟方法。通过对非定常超空泡流场计算结果的分析,对航行体的流体动力进行分解和建模。结合相关理论分析,确定了超空泡航行体流体动力公式。研究表明,尾拍力与空泡壁面形状、航行速度及尾部沾湿面积等密切相关。     

一类飞行器网络控制系统的鲁棒故障检测算法

针对同时存在马尔可夫短时延和数据包丢失的网络环境,研究了一类飞行器网络控制系统的鲁棒故障检测问题。通过将马尔可夫短时延与丢包建模为一个有限马尔可夫链,并针对丢包建立相应的数学模型,飞行器网络控制系统被建模为离散有限马尔可夫跳变线性系统。在此基础上构建残差发生器,相应的故障检测问题归结为滤波问题。以线性矩阵不等式的形式给出并证明了故障检测滤波器的存在条件和求解方法。仿真结果表明,所提出的建模方法能够有效地减少丢包对故障检测性能的影响,同时上述故障检测方法对故障敏感,对未知扰动具有鲁棒性。     

执行器故障下的运载火箭非奇异终端滑模容错控制

针对存在未知外部干扰和执行器卡死故障的运载火箭，提出了一种基于非奇异终端滑模面的姿态跟踪控制算法。首先，建立了考虑干扰和执行器卡死故障的运载火箭姿态控制系统多输入多输出系统模型；然后定义了运载火箭姿态跟踪系统模型，针对定义的模型，设计了一种非奇异终端滑模面，使得系统在执行器故障情况下仍能较为精确地跟踪参考信号。基于李雅普诺夫函数证明了运载火箭姿态跟踪控制系统的稳定性和有限时间收敛特性。数值仿真检验了本文基于非奇异终端滑模运载火箭姿态跟踪控制算法的有效性。     

空间相机地面装调重力卸载仿真优化方法

空间相机在地面装调过程中需要对光机结构进行重力卸载。空间相机常具有尺寸大、刚度低的特点,使得对其进行重力卸载仿真优化异常复杂。文章提出基于贪心算法结合天牛须搜索的重力卸载仿真优化方法。该方法提取系统的可行卸载点集,每次从可行卸载点集中提取1个或1组最优卸载点;以此类推,逐渐增加卸载点数,直至满足测试要求。其中,每组卸载点系的最优卸载力利用天牛须搜索法进行计算,继而可获得系统的最佳卸载策略。利用该仿真优化方法,可以智能化地进行系统全局迭代仿真分析计算,不易收敛于局部最优解,能够高效、快速地获得系统最佳卸载点系和最优卸载力。     

Dynamics and control of variable-geometry truss structures

Variable-geometry truss structures are likely to be used extensively in the future for in-orbit space construction. This paper considers dynamics formulation and vibration control of such structures. The truss system is modelled as a collection of sub-structures consisting of truss booms, prismatic actuator elements, and in some cases a manipulator at the end. Each truss boom is treated as a separate ‘link’ and its flexibility is modelled using the finite element method. Equations of motion for individual sub-structures are obtained which are then assembled. The non-working constraint forces are eliminated to obtain the equations governing the constrained dynamics of the entire system. For vibration control, the singular perturbation method is employed to construct two reduced-order models, for quasi-static motion and for modal co-ordinates, respectively. Computed torque with PD control is applied to maintain the quasi-static motion, while an optimal LQR method is used for vibration control. Typical simulation results are presented for the planar case.     

基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典Theta-D方法,提出了一种包含终端状态约束的滚动优化有限时域最优控制快速解算方法,推导了中间过程微分Riccati方程和微分Lyapunov方程的横截条件。控制器设计充分考虑了有限脉冲小推力器和有限力矩输出装置的约束。对近距离快速绕飞的仿真结果说明了方法的有效性,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下控制输出幅值小,具有工程实际意义。     

吸气式高超声速飞行器爬升段关键任务点的鲁棒优化

针对吸气式高超声速飞行器爬升段飞行任务，考虑飞行器气动/推进特性及参数不确定性问题，采用鲁棒优化思路，结合巡航性能指标，优选了飞行器爬升段的关键任务点。首先，由能量状态法结合发动机工作约束，确定了飞行器的爬升起始任务点；其次，依据飞行器巡航性能分析方法，提出了兼顾气动/推进效率的性能指标，优化得到了高超声速飞行器爬升末端任务点；最后考虑飞行器质心位置的不确定性，采用鲁棒优化方法确定了爬升段末端的飞行任务窗口。仿真结果表明，设计的优选流程快速可行，飞行任务窗口能同时满足飞行器的巡航飞行性能要求及不确定性最坏情况的约束，具有较强的鲁棒性。     

基于Legendre伪谱法的固体运载火箭轨迹优化研究

Legendre法则是一种高阶积分近似法则,用较大积分步长得到较高精度。以结点伪谱法处理不连续问题后,可以把一个无限维的动态最优控制问题转化为有限维的静态优化问题,大大降低了问题复杂性。将其应用于轨迹优化,力求使其成为一种求轨迹优化问题的通用算法。以三级固体运载火箭为例,在惯性直角坐标系中建立动力学模型,给出轨迹优化模型。轨迹优化算例结果验证了Legendre伪谱法在弹道时间和精度优化的正确性和有效性。     

基于正则摄动理论的无动力飞行器末段制导方法

以无动力飞行器末制导问题为研究对象,用正则摄动理论对其纵向弹道方程进行处理。在零阶方程中考虑重力和气动力的主导部分,在一阶方程中考虑重力和气动力的剩余部分,进而获得了弹道方程的解析解,仿真证明了该解析解具有较高的计算精度和计算效率。基于弹道解析解所获得的脱靶量,提出了正则摄动制导方法,仿真证明了该方法具有最优性。     

运载火箭连接强度有限元分析研究（英文）

The strength of the connection structure has always been a key issue in the structural design of a launch vehicle. In this paper, the finite element analysis method is used for the strength of typical connection structures of a new launch vehicle. The research scope includes the inter-stage connection structure and the bundle connection structure. Aiming at establishing the strength of these two connection structures under flight conditions, we built a refined finite element model, simulated the bolt tensile test and obtained a calculation criteria, and carried out finite element analysis of the connection structures under flight conditions. As a result, we not only established the analysis and evaluation method of the connection structures based on the refined finite element modeling analysis, but also provided a fast numerical simulation design method for the development of the launch vehicle's connection structures, which greatly improved the design efficiency and reduced the design risk.     

基于故障模式分析的运载火箭发射决策系统推理技术研究

结合运载火箭诊断推理的精确定位和快速诊断决策的实时性要求,建立了分布式诊断系统的系统结构,实现诊断任务的分配与协调;通过面向故障的反向推理和深度推理方法,完成故障的精确定位;在精确推理的同时,结合故障分级诊断的推理策略,对推理的精度和实时性进行综合处理。为基于故障模式分析的运载火箭发射决策系统的建造提供了技术支持。