狭义数字孪生卫星构建应用平台的开放性研究

分析了国内外基于模型的系统工程、体系工程、数字孪生和数字工程在卫星工程上的发展过程，从系统论的角度提出了狭义数字孪生卫星的概念，不同单位、不同人解决不同问题时，要根据问题的需要，调整各组成部分的仿真粒度，形成研究问题的数字工具。这些数字工具都具有系统完整性，都是数字孪生卫星概念的实例化外延。提出了用所有岗位构建应用和交流成果的总工作量来度量数字孪生卫星构建应用平台开放性的概念，分别从建模和使用模式、星上源代码一致性、卫星集群多平台分布式仿真3个方面给出了平台的开放性度量准则。针对软件平台开放性设计目标，论述了数字孪生卫星构建应用平台专用的开放性设计技术，包括软件层次模块划分、多粒度模型库、建模和模型管理工具包。通过工程实践案例，证明了开放性度量准则可以有效评估数字孪生卫星建模和模型管理的总工作量，为各单位的平台设计和研制过程的各种决策提供依据。     

固体火箭发动机人工脱粘技术研究进展

针对固体火箭发动机人工脱粘技术,将其研究进展分为结构设计与优化、结构破坏机理、试验技术及数值仿真研究,发现在人工脱粘结构局部设计和数值仿真计算方面已取得一定的研究进展,但在有关人工脱粘前缘处脱粘机理和试验方法等方面还缺乏系统性的研究,人工脱粘结构的表征研究和实际工况差距还较大,人工脱粘结构模拟表征和破坏机理是高压强大型固体火箭发动机需要关注的关键技术。综合人工脱粘结构模拟表征、宏细观失效机理、数值模拟、失效准则、结构完整性分析与多因素优化设计以及全尺寸试验验证技术,是未来固体火箭发动机解决人工脱粘问题的发展途径。     

基于数字孪生的航天电推进器优化设计方法

针对以引力波探测为代表的空间科学任务和以“国网星座计划”为代表的商用卫星网络任务对推进器的特殊需求，本文提出了一种基于数字孪生的推进器优化设计方法。该方法首先建立由机理模型模块和测试数据集模块组成的数字孪生体。机理模型模块依据推进器的物理过程建立模型，对难以测量的数据进行仿真模拟；测试数据集模块通过实验对推进器进行测试，依靠测试数据建立可测参数的数学模型。将数字孪生体与实验进行对比，通过对比结果反馈调节机理模块从而不断提高孪生体的准确性，最终为优化设计提供依据。结果表明：(1)该方法能够构建微波离子推进器的数字孪生体；(2)该数字孪生体的预测结果存在一定差异，通过分析发现该差异与机理模型的精细度以及测试数据集的数据量有关。     

液体火箭发动机三轴向虚拟振动试验技术研究

振动试验是液体火箭发动机结构可靠性评估和力学环境适应性验证的重要内容。相比单轴振动试验,三轴向振动试验能够更加真实地模拟产品的实际受力状态。开展三轴向虚拟振动试验研究,对于预示发动机动态响应,指导结构设计优化,以及研究修改单轴向振动试验输入谱以适用于三轴向振动试验都具有重要的研究价值。针对液体火箭发动机的振动问题,利用三轴向振动台的控制方法和有限元仿真技术,逆向构建了某三轴向振动台的虚拟振动试验系统。基于Patran有限元平台将某型号产品和振动台模型进行联合仿真动力学建模,以发动机正弦振动和随机振动试验条件作为动力学响应分析的载荷边界,利用Nastran进行三轴向振动问题求解。通过与实际的振动试验结果的对比和修正,获得精确的三轴向振动台和产品仿真模型、精确控制方法等,为液体火箭发动机结构振动响应预示、薄弱环节识别提供虚拟试验技术手段。     

固体发动机燃烧流动基础问题与研究建议

针对固体火箭发动机（SRM）的未来发展进行了探讨，提出了多学科协同的发动机总体设计优化技术、发动机精细化设计和性能精确调控技术、发动机虚拟试验与数字孪生技术以及发动机先进试验与测量技术是支撑固体发动机未来发展和应用的重要技术。为了实现固体发动机的细粒度建模、多维度设计和高精度仿真，在燃烧流动领域需要重点关注的基础问题包括：发动机环境下固体推进剂细观燃烧机理和燃烧模型、发动机内凝相运动行为模式及多相流输运规律、发动机非线性燃烧不稳定机理、凝相撞击壁面的行为模式和对壁面的力热作用规律、多相燃烧产物作用下绝热结构失效模式与破坏机理、多相燃烧产物生成与输运过程对能量转换的影响机理。最后提出了相关建议，以期更好地推动固体发动机燃烧流动领域的基础研究，更好地服务于固体发动机技术的未来发展。     

空间电源数字孪生系统

数字孪生系统是一种详细描述现实系统的数字化模拟系统,基于虚拟空间中的模型理解、预测、优化和控制现实系统,与现实系统具有实时性、同步进化性和交互性。为满足未来空间飞行器智能化、高机动性、多目标任务的特点,需要提升空间电源系统智能化监测管理能力。本文分析了空间电源数字孪生系统的构成要素,从数字孪生模型构建、新型传感技术以及数据驱动原理出发,构建数字孪生系统。依据天上-地面-数字空间各1套电源系统的原则,实现对空间电源荷电状态、电源健康状态等性能进行精准状态诊断和预测并优化控制策略,在保证飞行器任务实现的前提下提高电源系统的可靠性。     

固体火箭发动机对接装配密封圈应力在线预测方法

在固体火箭发动机燃烧室和喷管对接装配过程中，为准确实时预测密封圈应力，以确保发动机的装配质量，提出了一种基于Kriging模型的密封圈对接装配应力预测方法。首先，分析装配工况，利用有限元分析方法计算出多种工况下密封圈的应力-应变；其次，使用生成对抗网络的方法扩大数据样本空间；之后，利用拉丁超立方抽样法选取一定数量的应力-应变数据构建Kriging模型；最后，根据定义的加点准则迭代优化Kriging模型，实现主动学习，由此得到密封圈应力预测的数字孪生模型。装配时，通过六自由度并联平台的力位传感器实时采集的信号数据，作为数字孪生预测模型的输入；通过实时读取模型输出，实现对接过程中的装配质量实时在线预测反馈。     

发射场地面发射支持系统数字孪生架构及应用

针对航天发射场地面支持系统远程监测诊断、智能维护保养和自主决策控制等应用需求,提出了面向地面发射支持系统的数字孪生参考架构,提炼了实现数字孪生的关键技术。结合我国首型固液捆绑运载火箭塔式吊装对接工作,开发了基于参考架构的运载火箭塔式吊装对接仿真平台。经实际运行考核,该平台基于虚实空间交互映射和实时动力学仿真,通过丰富吊装场景监控信息,能够提高吊装对接工作的安全性和效率;同时,验证了数字孪生参考架构设计的合理性及技术路线的可行性。     

基于阶梯多根装药的固体火箭发动机内弹道设计方法研究

对于大长径比的固体火箭发动机,采用阶梯多根装药结构设计,可以增加推进剂的燃烧面积,提高发动机的做功效率。针对两段阶梯多根装药结构设计方案,总结出了固体火箭发动机内弹道设计方法;并以某工程项目为背景,完成了火箭发动机的结构设计及装药结构设计,给出了两段阶梯的装药结构、点火药装填方式以及燃烧室和喉部结构尺寸;进行了试验验证分析,表明固体火箭发动机的设计方案完全达到了设计指标要求。在膛压不大于16.8 MPa的情况下,实现了最大推力251.5 k N,持续推力168.7 k N,总冲量大于160 k N·s,工作时间小于900 ms,点火正常,膛内压力稳定。证明了内弹道设计方法的有效性,为阶梯多根装药火箭发动机的总体结构设计和装药结构设计以及开展性能研究工作提供了重要的试验依据。     

数字孪生技术综述分析与发展展望

随着数字化与仿真技术的发展,数字孪生技术已成为各行业的新兴研究热点,面对航天高质量、高效率和高效益的发展要求,有必要深入研究数字孪生技术的内涵及其关键技术,以便更好地研究探讨航天领域相关数字化仿真技术未来的发展方向。对数字孪生概念、数字孪生关键技术及研究现状进行了系统总结和分析,提出了航天领域数字孪生技术研究及应用领域发展展望。     

火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用

火箭新型号总体方案论证时,一般借鉴国内外相近规模和相同推进剂火箭的结构系数进行类比确定子级结构系数,按照比例系数分配贮箱和壳段等部段的质量,但该质量分配不能反映载荷对结构设计的影响,在细化迭代设计中易造成方案无法闭环,导致设计工作反复。为了加快总体方案论证,提出一种基于载荷的箭体结构快速估重方法,开发形成结构估重数字化模块并嵌入总体设计平台。应用案例表明,提出的数字化估重平台能够有效提高估重精度,同时显著缩短论证周期,兼具总体方案比较和优化、全箭质量管理等功能,能有效降低方案推翻重新设计的风险,在新型号总体方案论证中发挥了重要作用。     

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.     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

基于概率的运载火箭控制系统设计方法研究

针对传统的控制系统极限偏差设计方法导致运载火箭余量大、总体性能下降的问题,综述了基于概率的控制系统设计方法的国内外研究现状,论述了运载火箭控制系统概率设计的基本思想及设计流程,基于概率密度函数建模理论,建立了通过实际控制指令来控制概率密度函数拟合权值的状态空间,并基于最小二乘方法对状态空间中的参数进行了辨识,进而建立了密度函数成型控制模型,提出了基于最优控制理论的运载火箭控制器设计方法,最后通过仿真验证了理论方法的有效性,为我国运载火箭控制系统的精细化设计提供了理论依据。     

运载火箭模态试验仿真技术研究新进展

针对传统数学模型修改技术无法解决大型工程问题的局限性,为了实施模态试验仿真,提出一套适用于航天器复杂结构模型修改新技术,称之为子结构试验建模综合技术。简要综述在运载火箭模态试验仿真技术方面研究的新进展,并介绍两个应用实例:一是CZ-2E运载火箭全箭模态试验仿真与预示,用介绍的模态试验仿真技术成功地预示运载火箭模态参数,预示的模态与随后进行的实尺运载火箭模态试验所测到的模态非常一致,进而验证介绍的仿真技术的可靠性;另一个是CZ-2F载人运载火箭全箭模态试验仿真,它为箭船耦合动力学分析提供了可靠数学模型与数据。这两个大型工程应用实例说明了运载火箭模态试验仿真技术的工程实用性。     

中国液体运载火箭结构系统发展规划研究

结构系统是运载火箭关键系统之一,对运载效率提升具有显著作用。深入研究了国外运载火箭结构系统发展现状,根据我国运载火箭发展需求,结合我国航天发展和基础工业实际情况,从材料、结构形式、制造工艺等方面,提出了我国运载火箭结构系统重点发展方向和主要关键技术,对提升运载效率和推动航天强国建设具有重要的工程意义。     

微小卫星三机异构一体化计算机设计

当前微小卫星的星载计算机与运载计算机多分别采用不同结构的计算机系统设计,导致资源浪费和运载计算机的可靠性较弱。文章提出了一种微小卫星一体化计算机的设计,即采用三机异构备份的设计方案。在发射运载阶段,以数字信号处理器（DSP）为核心的运载计算机作为主机,以高性能FPGA为核心的时变计算机作为备机;在在轨运行阶段,以ERC32处理器为核心的卫星平台计算机作为主机,时变计算机经重构后作为备机。此设计不仅提高了运载计算机的可靠性,而且对卫星平台电子系统在能源、热控、遥测遥控、有效载荷、姿态轨道控制等方面的综合管理能力也有全面提升,并且还具有灵活的扩展性和较强的适应性。     

可重复使用运载火箭着陆支腿总体布局与关键参数优化

通过对着陆支腿数量和构型进行对比仿真分析,提出了可重复使用运载火箭着陆支腿的总体布局方案,同时建立了着陆支腿参数化仿真模型,将着陆支腿的关键几何参数作为决策变量,基于多体动力学仿真软件开展着陆稳定性仿真分析,以提高着陆稳定性、降低运载火箭返回级受到的着陆过载系数及支腿轻量化为优化目标,对着陆支腿关键几何参数进行优化和确定。仿真结果表明,优化结果能够满足工程使用需要,可以为可重复使用运载火箭着陆支腿总体方案设计提供参考。     

运载火箭助推器伞控回收方案及安全性分析

近年来民营航天公司在火箭回收技术上取得了巨大的突破和成功,受到了广泛关注,各国各种先进回收技术和方案也在验证中,我国也已加速开展回收方案论证和试验验证。提出了一种简单可靠、子系统成熟、成本低廉且具备快速搭载飞行试验演示验证条件的回收方案,该方案采取伞降减速、翼伞落点控制及支腿着陆防护的方式回收助推器,可以作为我国火箭回收工程实践的第一步,为后续回收技术研究和实践积累经验和数据。通过助推器分离仿真分析、再入过程气动计算及姿态仿真计算表明助推器回收方案不影响主飞行任务安全性,再入回收过程可控,具备工程实施的可行性。     

运载火箭信息化集成设计的基本途径设想

信息化集成设计技术是实现航天产品数字化的重要途径。为实现运载火箭的信息化集成设计,首先提出了信息化集成设计的内涵,即以单机智能化为基础,以接口标准化为途径,以系统平台化为目标,然后以运载火箭电气系统为例,给出了三层结构的通用信息化集成框架设想。研究表明,通过适应性的裁减与合并,此框架可满足不同规模运载火箭或其他航天运载器电气系统信息化集成设计的需要。