新型级间分离方案设计与仿真

设计了某新型导弹级间分离方案,结合级间冷分离和级间热分离的优点,采用固体燃气发生器和反推发动机作为分离能源,提出了合适的分离方式和分离时序。建立了分离过程的运动学和动力学模型,设计了碰撞检测模型,在分离仿真时考虑反推发动机推力偏差和下面级残余推力偏心和偏斜对分离的影响,还采用了蒙特卡洛方法分析了分离体运动范围,得到分离体在偏差干扰下运动情况,同时得到了分离危险时刻中心点相对横移范围,打靶仿真中没有出现碰撞现象,分离体的相对运动在分离要求范围内,说明该分离方案是安全可行的。     

基于无滚转导弹两级轴线出现偏差的级间分离运动分析

针对导弹飞行过程中存在扰动因素影响时两级轴线出现偏差的情况,建立了无滚转导弹的偏差分离模型。基于此模型,对常风、发动机推力偏差、连接误差等3种扰动下的导弹级间分离过程进行了仿真计算。计算结果表明,仅存在垂直风影响时,导弹俯仰角增大较多,分离过程时间减少,发动机推力正偏差和横移加快弹体分离,发射时助推级俯仰角不变,不同主级连接误差对分离过程时间影响微弱。计算结果与飞行力学理论一致,进一步证明了偏差分离模型的正确性。     

激光跟踪仪在固体火箭发动机推力线测量中的应用

分析了静态条件下发动机推力线横移和偏斜的产生原因,介绍了激光跟踪仪的测量原理,并提出了一种激光跟踪仪测量发动机推力线的方法。从测量方法和仪器两方面进行了精度分析。发动机推力线测量实例证明了该方法的可行性;误差仿真计算结果证明了该方法具有较高的测量精度。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

固体火箭发动机推力线横移和偏斜模拟计算

分析了固体火箭发动机推力线横移和偏斜的影响因素，介绍了由静态影响因素引起的偏差计算方法，得到的模拟计算结果与实测结果相近。这种计算方法将有助于改进导弹的姿态控制精度。     

固体燃料冲压发动机推力平稳性及飞行稳定性分析

分析了固体燃料冲压发动机中燃面退移速率的影响因素,建立了燃面退移速率仿真模型。在此基础上,建立了固体燃料冲压发动机工作过程仿真模型。采用该模型对固体燃料冲压发动机超音速巡航导弹的推力平稳性和飞行稳定性进行了分析。分析结果表明,选择适当的发动机设计参数能确保推力随时间的变化最小;发动机能根据巡航导弹飞行高度和速度的变化进行调整,使巡航导弹维持在设计点飞行。     

卫星在轨分离地面试验方案设计及动态仿真分析

多星分离是一箭多星成功发射之关键技术,为保障卫星在轨顺利分离,需要在地面开展相关的分离试验及其仿真验证。本文针对带橡胶夹层的卫星自旋分离过程,进行了卫星分离地面试验方案设计和数值仿真。首先,给出了卫星分离地面试验设计方案;其次,采用自然坐标法分别对不带工装和带有工装的在轨卫星分离过程进行动力学建模及动态仿真分析;最后,研究了卫星-工装整体动力学建模及分离过程中带工装结构和不带工装结构对卫星分离的影响。     

多星发射上面级变结构鲁棒控制

针对多星发射上面级释放掉1颗卫星后,因质心横移较大而产生质量不对称,通道间存在耦合的情况,提出采用变结构鲁棒控制的方法,使结构干扰和通道间的耦合对系统的影响衰减到一个给定的水平ρ,同时获得一个给定的H∞跟踪性能指标。理论分析和仿真结果表明,本文设计的控制系统对干扰和耦合量进行了有效的衰减,并使系统具有良好的鲁棒性。     

无拖曳卫星氮气微推进系统填充与开机工作特性的仿真研究

采用AMESim软件对氮气贮存压力为1.5×10 7 Pa、推力范围为mN级的压电驱动的氮气微推进系统进行建模。研究了氮气填充过程中氮气瓶、减压阀的压力和质量流量瞬态特性。分析了整合喷管的压电比例阀在开机过程中的瞬态工作特性。最后，研究了驱动电压对压电比例阀在开机过程中的阀芯位移和喷管推力瞬态值、阀芯运动和推力响应时间的影响规律。结果显示，当驱动电压为80 V时，阀芯的响应时间和稳定位移分别为 0.64 ms 和3.67 μm。开机后8 ms，喷管推力达到稳定值(0.588 mN)。压电比例阀阀芯的开启响应快速，且驱动电压与喷管推力之间存在良好的线性关系，说明推力可通过改变驱动电压进行mN级的线性调节。     

火箭级间分离过程流场数值模拟

火箭级间不同排焰窗位置构型会对级间动态热分离过程产生影响,采用耦合求解轴对称非定常N-S方程与一维分离动力学方程的方法,开展了多个工况的数值仿真,研究了不同排烟窗位置的影响。结果表明,排焰窗位置更加靠近二级火箭时有利于两级火箭在分离过程中获得较高的相对加速度,促进两级火箭的快速分离。但此时级间区域流场在分离过程中存在剧烈震荡的阶段,而当排焰窗位置更加靠近一级火箭时,级间区域流场则相对平稳,一级火箭前封头受力也更加均匀。     

某型号固体发动机推力测试偏差与侧向力干扰问题分析与试验

分析了影响某固体发动机静止试验推力测试偏差的因素.分析结果表明,由于试车架结构问题,发动机工作过程产生的偏斜力与偏心力以及各个方向的振动是推力测试偏差过大的主要因素.据此优化设计试车架结构,控制并减少安装偏差,消除侧向力对工作传感器的干扰,提高推力测试的可靠性,以满足固体火箭发动机推力测试技术要求.     

深空探测采样返回起旋分离动力学仿真分析研究

针对深空探测采样返回高精度起旋分离,实现返回器再入大气姿态稳定的需求。在自主研发的被动式起旋分离机构的基础上,以多刚体系统动力学理论为基础,建立返回器起旋分离ADAMS动力学仿真分析模型,开展起旋分离过程综合敏度分析、敏感参数偏差耦合分析以及覆盖性分析研究,以此评估多参数偏差对返回器初始分离姿态的影响。分析结果表明：动力回转轴偏差和返回器横向质心偏差对返回器起旋分离姿态影响最为明显;合理配置动力回转轴及返回器横向质心位置有助于改善初始分离姿态;经多参数偏差覆盖性分析,验证了起旋分离各项指标的符合性。为深空探测采样再入返回高精度、高可靠分离技术的工程实施提供理论指导。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

推力作用下变质量柔性自旋飞行器稳定性分析

针对变质量柔性自旋飞行器推力作用下稳定性问题，以Timoshenko梁为模型，考虑陀螺效应和剪切效应，基于有限元法建立系统振动方程，分析质量变化、推力作用和自旋转速对系统振动的影响，采用自适应Newmark法求解系统的振动响应。结果表明：质量和推力能够改变固有频率、进动频率和临界转速；受质量变化影响，自旋转速与临界转速相等时，飞行器发生短暂共振，共振响应峰值最大时刻与此重合时刻相比稍有延迟。     

低温推进剂重定位推力幅值及时序优化

为了减少重定位时间及推进剂消耗量，提升低温末级的机动性及运载能力，采用流体体积函数（VOF）方法开展重定位推力幅值及时序优化研究，分析重定位过程推进剂质心高度、平均动能、卷气率以及平均气泡直径的变化规律，以获得不同推力幅值及推力时序下的重定位时间和推进剂消耗量。结果表明：小推力重定位时间长，推进剂消耗量少；而大推力重定位时间短，推进剂消耗量多。通过合理优化推力时序可以有效减少重定位时间及推进剂消耗量。     

嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。     

Simple method for performance evaluation of multistage rockets

Multistage rockets are commonly employed to place spacecraft and satellites in their operational orbits. Performance evaluation of multistage rockets is aimed at defining the maximum payload mass at orbit injection, for specified structural, propulsive, and aerodynamic data of the launch vehicle. This work proposes a simple method for a fast performance evaluation of multistage rockets. The technique at hand is based on three steps: (i) the flight-path angle at each stage separation is guessed, (ii) the spacecraft velocity is maximized at the first and second stage separation, and (iii) for the last stage the thrust direction is obtained through the particle swarm optimization technique, in conjunction with the use of the Euler–Lagrange equations and the Pontryagin minimum principle. The coast duration at the second stage separation is optimized as well. The method at hand is extremely simple and easy-to-implement, but nevertheless it proves to be capable of yielding near-optimal ascending trajectories for a multistage launch vehicle with realistic structural, propulsive, and aerodynamic characteristics. The solutions found with the technique under consideration can be employed either for a rapid evaluation of the multistage rocket performance or as guesses for more refined optimization algorithms.     

基于视加速度的固体火箭发动机飞行比冲估算

建立了基于遥测视加速度的推力及比冲计算模型,模型中考虑了附加质量对发动机推力的影响,对固体火箭发动机飞行试验推力及比冲进行了计算,并与利用标准内弹道预示程序重新预示的发动机推力及比冲进行了对比,两种方法计算结果一致。算例表明,利用飞行试验遥测视加速度计算发动机推力及比冲的计算模型正确,有关参数的选取和处理方法可行;该方法可准确再现发动机飞行过程的实时推力和比冲;可有效用于发动机飞行试验结果的快速分析与评估。