变质心飞行器姿态与弹道性能分析

对变质心飞行器的姿态和弹道性能进行了分析.根据变质心控制原理得到飞行过程中总配平攻角表达式.从该表达式中获得影响姿态的滑块参数,并分析了这些参数对总配平攻角的影响;从气动力矩的角度分析滑块参数对滚动角的影响;根据配平状态下所受到的横向过载,分析了滑块参数对弹道机动能力的影响.分析结果表明,滑块质量比对姿态和弹道的影响最大,质量比增大20%攻角和弹道落点偏差分别增加38%和36%;其次是横向偏移量;最后是轴向安放位置.     

火星进入器壁面脉动压力环境数值模拟

为研究跨超声速阶段来流马赫数、来流攻角及配平翼展开角的变化对进入器壁面脉动压力环境的影响规律，本文采用脱体涡方法对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在跨超声速阶段，进入器壁面脉动压力环境随马赫数的增加而趋于减缓。配平翼迎风面分离区受脱体激波影响明显，当来流马赫数较小时，可压缩效应较弱，分离区涡流运动剧烈，诱导的脉动压力环境较强；随着来流马赫数的增加，脱体激波对分离区抑制作用增强，分离区运动受到限制，诱导的脉动压力环境趋于平缓。此外，随着来流攻角增加，配平翼迎风面上再附点的位置向翼根方向转移，从而使翼根处的脉动压力环境趋于恶劣。当配平翼展开180°时，分离区再附点位置基本固定，配平翼迎风面脉动压力环境得到一定程度的减缓。功率谱分析表明，在配平翼迎风面上诱导的脉动压力能量主要集中在中低频区域。     

开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响分析

火星探测器降落伞开伞前进入舱攻角(开伞攻角)会对舱伞系统的运动特性产生怎样的影响,是火星探测器减速着陆系统设计时必须搞清楚的问题。针对这一问题,文章以"火星探路者"为研究对象,将降落伞和进入舱分别视为6自由度刚体,建立了降落伞-进入舱以及中间弹性约束的两体12自由度动力学模型,研究了开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响。研究结果表明,开伞攻角越大,进入舱下降得越慢,开伞攻角对进入舱速度的影响主要体现在开伞后的前30s内;开伞攻角每增大10°,系统约产生600m的高度损失,开伞攻角的大小会对舱伞系统下降过程中的工作时序产生一定影响;开伞攻角越大,舱伞系统姿态越不稳定,姿态变化越剧烈。研究结论可为中国火星探测器降落伞减速系统的设计提供一定参考。     

火星进入器作强迫震荡运动壁面脉动压力数值模拟

为研究超声速阶段进入器作强迫震荡运动对壁面脉动压力环境的影响规律，本文耦合进入器刚体运动方程与流体力学方程，采用动网格技术，对火星进入器模型开展非定常数值模拟，获取壁面不同位置处的脉动压力信息。研究表明：在超声速阶段，进入器作强迫震荡运动诱导的脉动压力远大于进入器保持相对静止时仅由非定常流动诱导的脉动压力。来流马赫数为1.2时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波影响较小，脱体激波强度较弱且形态变化较小，攻角的震荡导致同一测点距离脱体激波的位置发生周期性改变，舱体迎风面及配平翼迎风面的脉动压力环境主要受攻角变化的影响；来流马赫数为3时，进入器作强迫震荡运动对脱体激波的影响较大，脱体激波震荡剧烈，诱导舱体迎风面及配平翼迎风面产生极其恶劣的脉动压力环境，功率谱分析表明激波震荡诱导的脉动压力能量主要集中在30 Hz左右。     

移动质心飞行器的参数辨识和补偿控制

受质量块大小和位移的限制,移动质心不能像空气舵那样产生很大的力矩.因此飞行器的再入攻角对静稳定度很敏感,尤其在小静稳定度下,静稳定度稍有改变,配平攻角将发生很大变化.飞行器再入过程中的烧蚀、侵蚀以及边界层转捩所造成的小不对称量所产生的不对称力矩与质心移动后产生的控制力矩相比,不是小量.以所建立的移动质心控制飞行器的数学模型为基础,辨识飞行器静稳定度和小不对称量,对小不对称量造成的气动力矩用前馈一反馈复合控制加以补偿.仿真分析表明,移动质心控制对高速再入的飞行器具有良好的末修能力,能有效提高再入段的控制精度.     

飞艇系留系统静态与动态仿真研究

文章建立了飞艇系留系统多体力学仿真模型,将绳索处理为质点-弹簧-阻尼系统,在有风条件下针对某型飞艇产品进行了静力学和动力学分析。结果表明,张力从地面沿系留绳逐渐增大,在与飞艇连接处达到峰值;在一定范围内,随着飞艇攻角的增加,飞艇的驻空高度增加,偏移量减小,但绳索内部张力也有显著的提高;绳索质量增大会影响飞艇系留系统性能;随着风速的增加,飞艇的水平偏移量增大,驻空高度降低,绳索张力增大;在变风场条件下,绳索内张力波动范围不大。     

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。     

应急救生时返回舱分离后的姿态运动研究

研究了低高度大气层内飞船应急返回时返回舱的姿态运动规律。返回舱分离后以非配平攻角飞行，大分离角速度和大气动力矩作用下其飞行姿态不稳定，必须利用自身的控制发动机和受到的气动力拒使其俯仰机动定位到大头朝前的姿态（呈配平飞行），仿真表明这需要一个较长的衰减振荡过程。一种通过实时调整质心位置以改变气动力矩大小，从而达到减小振幅、改善并缩短其振荡过程的方法被提出，它为宇航员承受过载和启动回收着陆系统创造了有利条件。     

风标式攻角传感器在超声速飞行运载火箭中的应用研究

以运载火箭上的风标式攻角传感器为研究对象,首先运用风洞试验研究其在超声速气流中的静态以及跟随特性。针对箭体常采用的规则旋成体,运用数值仿真分析当地攻角与来流攻角的关系。发现同一位置不同高度(距箭体壁面)当地攻角的变化较小,而同一截面不同周向位置上的影响则较大。在攻角平面内当地攻角不反映来流攻角信息;在垂直于攻角的平面内,受绕流的影响,当地攻角大于来流攻角;在两平面夹角的中心位置,当地攻角大致与来流攻角相当。运用数学分析解算出探测攻角与当地攻角、侧滑角的变换关系,最终获得攻角传感器的探测特性。基于火箭绕流流场的特征以及传感器的探测特性,建议工程应用时在4个象限的中心线上分别布置一个攻角传感器以获得飞行攻角和侧滑角。     

质量矩控制飞行器的压心不确定性问题研究

为了减小压心不确定性对质量矩控制的影响,提高活动质量块对系统的控制能力,本文推导了飞行器姿态配平角与压心偏差的关系,分析了压心系数偏差对飞行器控制性能的影响,给出了压心最大容许偏差范围的解析表达式,然后针对压心偏差对飞行器的影响进行了仿真计算,并在此基础上分析了压心测量偏差对质量矩控制飞行器总体参数的要求,提出了几种减小压心不确定性对飞行器控制性能影响的结构布局优化方法。结果表明:对于静稳定导弹,将径向滑块的滑道配置在飞行器的前鼻部,根据任务指标合理地设计各滑块的偏移量等措施都可以减小压心不确定性对质量矩控制的影响。     

质量特性调整机构在航天器中的应用

质量特性调整机构具有成本低、体积小、重量轻、工作寿命长、可靠性高的优点,被用于在轨精确调整航天器的质量特性,从而确保航天器能够提供高精度的姿轨控以及部分有效载荷的正常工作。文章首先介绍了质量特性调整机构的设计原理和方案,以及在航天器中的应用情况和研究现状;其次对质量特性调整机构需要解决的关键技术进行了分析;最后对其在我国航天活动中的应用进行了展望。     

弹道式再入飞行器以配平攻角状态返回的轨道计算原理及相应的控制要求

弹道式再入飞行器一般为轴对称旋成体,但其质心可以偏离对称轴。我们称通过飞行器质心和对称轴的平面为飞行器的对称面。这种飞行器以配平攻角状态返回时,不仅要求其相对于地球的飞行速度矢量平行于飞行器的对称面、飞行攻角恰等于配平攻角,而且要求其相对于质心的转动角速度矢量垂直于飞行器的对称面,能使飞行器的姿态跟随飞行速度矢量的改变。基于上述考虑,本文给出了这种飞行器以配平攻角状态返回的轨道计算原理及相应的控制要求。     

基于布局优化的飞行器变质心控制性能研究

研究了变质心再入飞行器的控制性能。对力矩的分析发现活动质量体配置于弹体质心处能降低相对运动对飞行器的影响,且飞行器三通道间的动力学耦合也将减轻。将活动质量体配置在弹体质心以优化变质心控制结构布局,并设计姿态控制律,比较了布局优化和未优化的姿态响应和滑块运动。结果表明:采用布局优化不仅能提高变质心控制的操纵性,改善姿态响应的动态品质,而且滑块的运动品质也得以改进。     

带攻角约束的高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对带攻角(AOA)约束的高超声速飞行器控制问题，提出一种基于非对称时变障碍函数的非线性自适应反步控制方法。首先，将飞行器模型化为严反馈形式，以反步法为基础进行控制器设计。然后通过光滑饱和函数对名义攻角指令信号进行限幅，并保证限幅信号的可导性，限幅产生的误差通过设计辅助系统进行补偿。进而使用障碍函数对攻角指令跟踪误差进行非对称时变约束。针对不确定性和干扰，设计新型自适应律对集中干扰上界进行估计并补偿。最终通过Lyapunov理论证明了闭环系统状态量一致最终有界并且攻角始终满足时变约束。仿真结果表明，本文方法能够在满足攻角约束基础上保证良好跟踪性能。     

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制.本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小.本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据.     

迎角受限的高超声速飞行器固定时间鲁棒控制

针对高超声速飞行器动力学模型强耦合、非对称时变迎角限制、气动参数高度不确定以及跟踪误差收敛速率要求高等问题,设计了一种考虑非对称时变迎角限制的高超声速飞行器固定时间非奇异切换控制策略。为了解决非对称时变迎角限制问题,首先限制迎角虚拟控制器的幅值并设计固定时间误差补偿系统补偿迎角虚拟控制器饱和带来的不利影响,然后设计了一种新的光滑切换的非对称时变障碍函数限制迎角跟踪误差,从而使迎角满足非对称时变限制。光滑切换技术以及固定时间收敛技术也应用于其他虚拟控制律和实际控制律的设计中,以避免奇异值问题并且保证闭环系统的固定时间稳定。此外,设计了一种固定时间稳定的鲁棒补偿器用以补偿系统不确定性带来的不利影响。严格的数学推导证明了本文方法的正确性,仿真结果验证了本文方法的有效性和优越性。     

基于变质心控制导弹的运动分析

导弹变质心机动控制通过改变弹头的质心,利用气动配平力矩改变弹头飞行姿态和攻角,从而实现导弹机动控制.本文首次详细推导了基于变质心控制导弹的空间六自由度的动力学方程,并建立了一套完整的仿真系统,针对导弹在垂直平面内运动情况进行仿真,为深入探讨变质心控制弹头的控制机理奠定基础.     

基于时差频差角度的低轨双星动目标融合跟踪方法

针对低轨双星时差频差定位系统在对运动目标定位中忽略其运动速度会引起较大的定位偏差以及定位跟踪的初值选取等问题,提出了一种对运动目标的双星时差频差信息融合主星的二维到达角（AOA）信息的融合无源跟踪新方法。首先建立测量模型和等高程目标运动状态模型,在此基础上采用扩展卡尔曼滤波（EKF）方法对运动目标进行跟踪定位。仿真分析表明,该方法可达到克拉美‐罗下限（CRLB ）,且收敛后对目标的速度和航向估计有较大的提高。     

改善返回舱气动稳定特性数值计算研究

和第一宇宙速度载人再入飞行相比,以第二宇宙速度载人再入飞行对返回器的升阻比要求较高。文章给出了一种升阻比能够满足第二宇宙速度再入需求的返回器基本外形,分析了基本外形的气动性能以及质心位置对气动稳定特性的影响,结果表明基本外形在高超声速和亚声速下均存在第二静稳定配平点的问题。为了改善基本外形的气动稳定特性,文章提出了多种改进外形设计,包括增加稳定耳片、改变尾部外形设计等。通过数值模拟对这些改进外形的气动稳定性进行了分析,结果表明这些改进设计对于改善返回器的单点稳定特性是有效的。通过对流场特性的详细分析,对改进气动设计改善返回器稳定特性的机理进行了揭示和阐释。