点火发动机形成的受限喷流流场数值模拟

从曲线坐标下的气体Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＥＮＯ差分格式，对点火发动机工作初期，在固体火箭发动机内腔形成的受限冷喷流流场进行数值模拟，在此基础上，分析了喷流的流场结构及特性。     

超音速射流与弹体绕流干扰流场数值分析

绕弹体的超音速气流与火箭发动机燃气喷流相互作用，在弹体底部形成了复杂的干扰流场。本文应用了四阶的ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ格式，求解雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程，对这一复杂流动进行了数值模拟，得到了流场结构随不同喷口压力的变化规律。     

类火星环境中火箭起降过程喷流影响研究

采用尺度自适应模拟（Scale Adaptive Simulation, SAS）方法对火箭在起降过程中喷流的地面效应进行了数值研究，对比分析了在海平面和类火星环境下的喷流冲击倾斜地面和水平地面时的流场结构以及喷管的侧向载荷。在海平面环境下，喷管内部出现流动分离，喷管内壁压力先减小，在分离点处压力达到最低点，然后压力增加至环境压力。喷流冲击倾斜地面时具有更强烈的流动不稳定性，喷流出现明显的时间演化现象。在类火星环境下，喷管内部不发生流动分离，内壁的压力沿着流向逐渐减小。喷流冲击倾斜地面时，在喷管出口的外侧形成了上下移动的马赫盘；喷流冲击水平地面时，喷流和地面反弹气流相互作用，阻碍了马赫盘的形成。研究结果还表明在类火星环境和海平面环境下，喷流冲击倾斜地面时喷管内壁温度均上升。研究结果将为火箭回收和火星着陆的方案选取提供参考。     

大气层内导弹侧向喷流干扰流场的数值模拟

采用3阶的WENO格式计算了大气层内带有侧向喷流的超声速导弹绕流流场。计算显示了喷流和绕流干扰的流动结构。喷流上游的高压区域包络弹体,与喷流下游的低压区域一起削弱了喷流产生的侧向力。在文中计算条件下,喷流放大因子小于1,并形成了较小的俯仰力矩。     

尾部喷流对飞行器阻力影响的数值模拟分析

底阻在弹类飞行器阻力中占比较大,准确预示底阻对于弹类飞行器飞行性能评估至关重要,而发动机尾部喷流对底阻影响明显。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的流场仿真方法研究了飞行器底部发动机喷流和外流干扰流场特性,主要分析了喷流对飞行器阻力的影响。飞行器安装了两台推力可调的液体火箭发动机,发动机在不同飞行工况下采用不同推力工作。分别研究了亚音速、跨音速和超音速典型飞行工况下弹体底部无喷流状态、单喷管喷流状态和双喷管喷流状态时,飞行器阻力变化情况。结果表明:不同马赫数下,发动机喷流对底部阻力影响情况基本一致,与无喷流情况相比,当发动机工作时,无论单喷管喷流还是双喷管喷流状态,底部发动机喷流引射效应明显,弹体阻力系数明显增加。     

发动机喷流对飞行器飞行姿态影响的研究

针对某型导弹的实际飞行结果，在对立了合理的发动机推力模型及喷流模型的基础上，采用多学科的一体化仿真方法，重点研究了发动机喷流干扰对该型导弹飞行性能的影响。结果表明发动机喷流与发动机推力偏心及偏斜的共同作用将对飞行器飞行姿态和弹道产生显著影响，在飞行控制系统的仿真研究与参数整定中应综合考虑这些因素。     

反向喷流对运载火箭返回段气动特性影响研究

为了准确获取发动机反向喷流干扰下运载火箭返回段全箭及栅格舵气动特性，设计缩比试验模型及地面喷流模拟系统，采用高速纹影、全箭及栅格舵部件测力等测试方法，开展反向喷流状态下风洞试验研究。结果表明：发动机工作时反向喷流与头部弓形激波相互干扰，改变全箭绕流流场分布特征，使得一子级返回段的轴向力系数减小，对一子级返回段的法向力系数和俯仰力矩系数影响规律与来流马赫数有关，影响量与喷流强度和攻角等相关；反向喷流干扰使得栅格舵的控制舵效整体呈降低趋势，在高马赫数来流下甚至会导致控制特性反向。通过反向喷流测力风洞试验，有效指导和开展返回段精细化气动设计，为我国重复使用运载火箭的工程实现提供技术参考。     

双喷流对空空导弹直接力控制的影响

采用3阶WENO方法计算了空空导弹在6 km高度,马赫数Ma=2下双喷流工作的情况。针对有攻角的对侧双喷流和零攻角下成直角的双喷流进行数值分析,得到主要结论:攻角造成了上下喷流的非对称,喷流在导弹迎风面的作用力小于其在背风面的作用力;在成直角的双喷流作用下,两喷流之间的干扰会增强喷流的作用,得到的单喷流等效放大因子增大很多。     

发动机喷流对飞行器底部流动影响数值模拟

针对发动机燃气喷流对底部流动的影响开展研究。建立冷喷与热喷计算方法，与经典的高压空气尾喷管喷流试验数据进行了对比，验证了本文建立的三维喷流方法的可靠性。对本文选用的飞行器外形采用冷喷与热喷方法开展了对比计算并与飞行试验值进行比较，分析了两种方法结果的差异。采用热喷方法对来流马赫数 2.5 ，不同飞行高度及喷管进口总压开展计算，研究飞行高度及喷管进口总压对发动机喷流及底部流场的影响。结果表明，保持飞行高度、来流马赫数不变，喷管进口总压增加，底部压力系数逐渐提高。燃气质量浓度最大值位于底部空腔的壁面处，且保持一个恒定值。保持喷管进口总压、来流马赫数不变，飞行高度增加，喷流高速区向后移动且中心区最大马赫数增加。在一定飞行高度下，底部压力系数由负转正，即飞行器底部会出现正推力，这对飞行器的射程会产生重要影响，需要提前评估。     

固液捆绑火箭上升过程喷流干扰特性及底部热环境研究

固体喷流和液体喷流的来流与喷流之间相互干扰，在喷流交汇碰撞区域使流场温度、压力特性发生变化，对箭体底部的加热效应增强。特别是含有固体颗粒的固体助推器喷流与液体芯级喷流混合，对传热特性产生明显影响。本文用连续相模型模拟气相、离散相模型(DPM)模拟固体粒子相、DO模型模拟含有固体粒子的介质辐射，对固液捆绑火箭在上升飞行过程中的气固两相喷流的演变过程进行仿真研究。仿真结果表明:在不同的发动机组合之间出现高温区域，并随着喷流扩张和飞行高度增加，高温区向箭体底部移动，喷流中小粒径固体颗粒分布在喷流与空气的边界混合层区域，大粒径固体颗粒分布在喷流交互中心区域，底部最大对流热流密度与辐射热流密度为90 kW/m²和400 kW/m²。将仿真实验结果与飞行试验数据进行了对比分析，发现两者吻合较好，验证了仿真结果的准确性。     

在地球极区无奇异的再入飞行器质心运动方程

传统的再入飞行器质心运动方程用经度和纬度描述地理位置，在南北极极点处奇异，在南北极区病态。本文提出利用位置矢量的三个方向余弦，称为“三余弦数”或“三元数”，代替经纬度，推导出无奇异再入质心运动方程。再入飞行器临近极点和到达极点的算例显示，使用三元数的无奇异再入方程完全避免了传统方程有关极点的奇异性。同时，无奇异方程所选状态变量与传统方程可进行很简便的转换。     

Quaternion regularization in celestial mechanics and astrodynamics and trajectory motion control. I

Regularization problems in celestial mechanics and astrodynamics are considered. The fundamental regular quaternion models of celestial mechanics and astrodynamics are presented. It is shown that the efficiency of analytical investigation and numerical solution of boundary problems of optimal trajectory motion control of spacecraft may be increased using quaternion astrodynamics models. The regularization problem of celestial mechanics and astrodynamics that implies eliminating the feature, which arises in the equations of the two-body problem in case of impact of the second body with the central body, is considered in the first section of the paper. The quaternion method for regularizing the equations of the perturbed spatial two-body problem suggested by the author is presented; the method is compared with Kustaanheimo-Stiefel (KS) regularization. Demonstrative geometric and kinematic interpretations of regularizing transformations are provided. Regular quaternion equations for the two-body problem, which generalize the regular Kustaanheimo-Stiefel equations, as well as regular equations in quaternion osculating elements and quaternion regular equations for perturbed central motion of a material point, are considered. The papers on quaternion regularization in celestial mechanics and astrodynamics are briefly analyzed.     

Evolution of the Motion of a Viscoelastic Sphere in a Central Newtonian Field

The evolution of translational-rotational motion of a viscoelastic sphere in a central Newtonian field is studied. By the method of separating motions and averaging in the generalized Andoyer–Delaunay variables, equations are derived that describe the evolution of motion. The analysis of the approximate equations obtained is performed. The condition of existence of a steady-state motion is found, and its stability is investigated using the equations in variations.     

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。     

一种强鲁棒变结构制导设计

传统制导拦截模型可用一组方程来描述,由于该方程是耦合的,对其进行制导律的设计时,往往假定导弹在瞄准线方向不可控,但这样必然产生较大的模型误差。文中将传统制导方程进行变换得到其状态空间形式,根据导弹和目标各自加速度沿瞄准线(LOS)方向及其垂直方向的分量之间的物理关系对状态方程降维,然后通过引入有界参数变量,得到含有控制不确定性和外部干扰的描述形式,进而按照不确定系统变结构控制原理设计了制导律。由于制导律设计时考虑了导弹法向加速度分量的相关性、不同状态对拦截模型不确定性影响和外部干扰,所以具有强鲁棒特性.仿真结果表明这种制导律在合理参数选取下其抗目标机动能力强、脱靶量小、过载要求低、无控制抖动问题。
     

基于二阶非线性相对运动方程的寻的段交会制导研究

利用二阶非线性相对运动方程研究空间交会寻的段新的制导算法.针时传统C-W制导算法精度较低问题,提出了利用二阶非线性相对运动方程迭代修正C-W二脉冲解的制导算法.仿真结果表明,所提出的修正算法制导精度比C-W制导算法的精度高,而且计算简单,收敛速度快,具有一定的工程实用价值.     

万有引力场中带挠性太阳帆板航天器的姿态稳定性

本文讨论带双侧挠性太阳帆板航天器在万有引力场中的姿态运动，建立带挠性帆板航天器的欧拉方程和帆板强迫振动方程。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对动力学方程离散化，利用Ｋｅｌｖｉｎ－Ｔａｉｔ－Ｃｈｅｔａｙｅｖ定量判断航天器在轨道坐标系内相对平衡的稳定性。导出适用于任意阶模态的解析形式稳定性充分条件。     

A two-dimensional approach to multibody free dynamics in space environment

The equation of motion of a multibody system, described here as a chain of rigid bars and revolute joints orbiting around the Earth, is derived.

For each bar two translational and one rotational equilibrium equations are written. The forces acting on each body are the gravitational forces and the reaction forces (unknown) acting on it's end joints. The complete set of equilibrium equations consists of N_X differential equations, where N_X is the order of the state vector. The total number of unknowns is N_X+N_R where N_R=2N_J and N_J is the number of joints. The N_R additional equations, to make the system determinate, are provided by the nondifferential compatibility equations.

The resulting system is a set of differential algebraic equations (DAE) for which the well-known method of reducing the system to ordinary differential equations (ODE) is applied.

Since the internal forces are associated with the relative displacements between the bodies, which are small fractions of the distance of the multibody spacecraft from the center of the Earth, the task of obtaining these forces from inertial coordinates, from a numerical viewpoint, could be impossible. So the problem is reformulated in such a way that the equation of motion of the system, contains global quantities where no internal forces appear, and local equations where internal forces do appear. In the latter one, only quantities of the same order of the spacecraft dimensions are present. Numerical results complete the work.     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。