低温液体推进剂增压分析与计算

运载火箭低温推进剂贮箱的增压问题极为复杂,其传热问题的研究分析又受到很大的限制.为此,根据我国上面级低温液体推进剂火箭的要求及其具体条件,推导和制定了整个飞行过程的贮箱增压计算方法、主动段—滑行段—主动段的计算公式和必需的初始数据.计算结果与国外同类试验结果规律相一致,与某型号低温推进剂火箭飞行结果相接近,证明该计算方法是可行的.     

固体运载火箭底部对流热环境数值模拟

采用数值仿真方法,开展了固体运载火箭底部对流热环境计算研究。采用线性化热力学参数的单一介质简化处理方法,模拟了发动机喷流与高速主流的流场,得到了热流与温度参数,并与飞行试验结果进行了对比分析。结果表明固体运载火箭底部存在较为严酷的对流热环境,本文的数值计算结果与真实飞行试验结果吻合较好,该方法可为固体运载火箭的热环境与防热设计提供参考。     

应用伪谱法的运载火箭在线制导方法研究

研究Gauss伪谱法(GPM)在液体运载火箭抛罩结束到入轨飞行段制导律设计中的应用性。在每一个制导周期内,采用高效高精度数值轨迹优化方法计算当前制导周期内的制导律。通过合理选择非线性规划问题的基点数量和制导周期,节省制导方法计算时间。将基于伪谱法的制导方法与运载火箭中使用的迭代制导方法进行对比,在保证同等入轨精度的条件下,该方法对于复杂约束问题处理方法更为便捷,满足在线制导的需求。同时仿真表明,该方法能够有效应对各种偏差,是比较接近工程应用的一种方法。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

推力中止过程一维不定常气相流动数值计算

准确地预示固体火箭发动机推力中止这一瞬变过程，对飞行器飞行精度及可靠性具有重要意义。建立了一维不定常流动数值计算模型，考虑了传热、摩擦、燃面变化，燃烧室长径比、通喉比等因素，计算了推力中止过程内弹道，给出了燃气参数沿燃烧室长度的分布及随时间的变化。     

运载火箭返回着陆在线轨迹规划技术发展

在线轨迹规划技术作为实现可重复使用运载火箭返回着陆的关键技术,能够根据飞行状态实时计算最优飞行轨迹,从而有效应对运载火箭返回过程中内外部不确定性的影响。首先,梳理了在线轨迹规划方法的特点和研究现状。然后,阐述了美国针对在线轨迹规划技术开展的研究工作,以及其他国家航天机构针对垂直着陆制导控制技术设计的验证飞行器和验证计划。最后,结合运载火箭垂直着陆问题的特点,总结了基于数值优化的在线轨迹规划技术的研究方向。     

载人航天器密封舱流动和传热数值模型及其地面验证

为求解载人航天器密封舱内复杂的空气对流、导热和辐射三者耦合的传热问题,本文建立了载人航天器密封舱的流动与传热数值模型,对地面试验状态下密封舱内的空气流动与传热进行了仿真分析,并利用试验结果对数值模型进行了验证.结果表明,建立的数值模型可靠且具有较高精度,仿真结果与地面试验数据吻合性较好,可进一步用于热控系统性能评估、在轨支持和故障处理.     

航天器密封舱流动和传热的数值研究

在有强迫流动的航天器密封舱内，与固壁存在热交换的三维气体流动使得舱内传热相当复杂。本文用数值分析模拟航天器在轨状态下的流动和传热。结果表明，辐射和流动在密封舱热分析中都不可忽略。对多种风速的计算结果表明，平均对流换热系数与风扇布局基本无关而仅与平均风速有关，最后由计算结果得出了平均对流换热系数和平均风速的经验关系式。     

发动机喷流干扰对底部热环境影响研究

发动机底部热环境的准确预示是小型运载火箭研制的关键环节。为提升对小型运载器底部热环境的认识,开展了发动机喷流干扰对底部对流加热影响的研究。首先,采用计算流体力学方法,开展了发动机喷流流动的数值计算研究,分析了飞行高度、发动机开关机、飞行攻角对底部对流加热的影响;然后,从流动机理出发,提出了一种降低底部对流加热的外形优化方法;最后,根据飞行试验测量结果,讨论了底部加热的主要来源。     

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。     

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.     

水下垂直发射航行体空泡流动研究

水下垂直发射航行体是工程研制的重要对象之一,水下垂直发射技术是航行体研究的核心与关键。动基座发射与跨介质飞行是水下垂直发射的两个突出特点,特别是在一定条件下出现的空泡现象使得水下垂直发射物理现象异常复杂。鉴于此,系统梳理了水下垂直发射需要关注的问题,介绍了水下垂直发射航行体空泡流研究的主要技术途径和研究手段,探讨了未来的主要发展趋势。     

运载火箭飞行载荷联合优化控制技术

为了解决基于模块化研制的运载火箭其飞行剖面载荷与承载能力不匹配而导致发射概率过低的问题，提出一种基于弹道风修、发动机节流、主动减载、横向动载荷精细化四项减载技术的飞行载荷联合优化控制技术。以箭体承载能力为约束，提高发射概率为目标，多种载荷控制技术联合为手段对运载火箭进行逆向设计，可以有效提高模块化研制火箭的发射概率。以长征八号运载火箭首飞为例，该技术成功将发射概率由研制初期的33%提高到83%。     

运载火箭捷联惯组全自主对准技术应用研究

我国运载火箭发射前通常通过光学瞄准确定初始方位角,采用捷联惯组自对准解算获取水平姿态角。以可实现简易、快速发射的新型火箭为背景,在发射场阵风等干扰引起箭体低频微幅晃动的环境下,研究了捷联惯组自主对准技术。分析了运载火箭全自主对准的特点,利用以惯性系为参考基准的解析对准法和卡尔曼滤波精对准方法,对高精度全自主对准技术和其在运载火箭上的应用展开了详细论述。开展了全自主对准试验验证,结合新一代运载火箭首飞数据进行了分析。结果表明:捷联惯组全自主对准技术可替代复杂的光学瞄准系统,实现运载火箭发射前初始姿态的确定。     

Experimental investigation of the base flow and base pressure of a clustered launch vehicle

Launch vehicles configured with strap-on boosters presents a very complex geometry and flow field of the base region. One of the most important external force acting on a launch vehicle is the aerodynamic drag, and since the base region has high influence, as base drag, on this force, it is of major importance to predict it accurately. For complex vehicle configurations, analytical procedures are often not well adequate, and numerical flow simulations needs well validated codes and high computer power, to describe and determine the local parameters. So, the use of high speed wind tunnels becomes necessary if flow phenomena and base pressure have to be accurately determined. In the present study an experimental investigation of the base flow region of a clustered launch vehicle, characterised by four strap-on boosters around the core vehicle, has been carried out. The results, which are summarised in the present article, show the behaviour of the base pressure as function of the Mach number, and correlate the contribution of base drag to the total aerodynamic drag. Also features of the local flow field, taken from Schlieren flow pictures, are shown in detail. The article presents the wind tunnel models and program, and shows and discusses the results obtained for several flight regimes.     

低温推进剂火箭发动机预冷方案研究

对国内外低温推进剂火箭发动机采用的排放预冷、自然循环预冷和强制循环预冷等预冷方案进行了综述。介绍了国内新一代运载火箭使用的新型低温液体发动机的预冷研究。对液氧煤油发动机预冷方案中推进剂类型、发动机所在子级、自然循环多因素综合等影响方案的主要因素,以及发动机预冷方案中的维护、沸腾传热与两相流数值模拟等关键技术进行了分析。     

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。     

小型固体运载火箭运载能力分析

针对控制系统,采用姿控发动机和格栅舵的小型多级固体运载火箭开展了运载能力分析研究.给出了运载火箭飞行方案,提出了一种飞行程序角的工程设计方法.给出了姿控发动机工作模型,建立了六自由度弹道计算和优化模型,采用混合进化算法进行弹道优化,并给出了仿真算例.仿真计算及分析表明,小型多级固体运载火箭满足发射小卫星的运载能力要求,姿控发动机推进剂分配方案合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据.