运载火箭POGO主动抑制的LQR控制器设计

针对传统蓄压器难以满足大型捆绑火箭的Pogo抑制要求的问题,本文提出了基于LQR控制器设计的Pogo主动抑制方法。以采用低温液氧/煤油补燃循环发动机的某运载火箭为研究对象,建立了Pogo主动控制单元模型,导出了Pogo控制系统的状态空间模型;以泵入口压强最小为指标,设计了LQR全状态反馈控制器和部分状态反馈控制器,实现运载火箭Pogo振动的主动抑制;进而研究了控制器尺寸及安装位置对控制效果的影响。最后通过对某型号运载火箭Pogo主动抑制设计的稳定性分析和时域仿真,表明所设计的Pogo主动抑制器有效地提高了系统阻尼、抑制了Pogo振动,对模型偏差具有很强的鲁棒性,优于传统的蓄压器设计;并且对控制器尺寸和安装位置不敏感,有利于工程实现。     

液体捆绑火箭POGO稳定性分析的闭环传递函数法

2003年,CZ-2F火箭成功将"神舟号"飞船送入太空。从遥测数据分析发现,在一级飞行末秒出现逐步增大的低频振动,具有典型的纵向耦合振动(以下称POGO)特征。国内外研究结果表明,液体火箭上升段常产生一种纵向动力学不稳定,它是由箭体结构模态振动和液体发动机的推进系统相互耦合而引起的一种自激振动。火箭结构系统、输送管路系统和动力系统构成了带反馈的闭环控制系统。火箭在飞行过程中,上述系统中的部分参数是变化的,故实际飞行状态对应着时变的系统。但系统在某一固定的飞行秒状态,可按线性时不变系统进行稳定性分析。推导出液体捆绑火箭POGO振动的传递函数,提出了闭环传递函数法并对液体火箭进行了POGO稳定性分析。计算飞行状态的稳定性,结果与飞行发生的情况基本一致;对可能采取的蓄压器参数设计方案,包括氧化剂管路与结构纵向一阶、纵向二阶和助推器局部模态的耦合,进行了稳定性分析,给出了不同结构阻尼时的稳定性裕度。文中的闭环传递函数法具有通用性,适用于液体捆绑火箭的POGO稳定性分析。     

管路系统热-振联合环境试验技术研究

管路系统是飞行器发动机的重要组成部分,在工作过程中经受多种热力学和振动环境,必须经过地面试验以考核管路系统的可靠性。热振联合试验就是考核结构件在热及振动环境下可靠性的一种行之有效的方法。本文分析描述了热振动试验中热、压系统及振动系统的组建方法。该试验技术对类似的综合试验具有指导意义。     

POGO振动研究的一种新建模方法

现有分析运载火箭POGO振动（纵向耦合振动）的模型有两种,即传递矩阵模型和Rubin提出的状态方程模型。考虑到这两种模型的不足之处,从分布参数描述的偏微分方程出发,采用分离系数法,得到形式简单的微分方程,并应用分段三次Hermite插值得到了新的管路模型。将新管路模型应用于系统,通过对三种模型计算得到的管路频率的比较,验证了新得到的形式简单的管路模型,有较好的精度。     

飞行器贮箱增压管路内外热力综合环境试验研究

飞行器贮箱增压管路在正常工作时,同时受到静力、内热、内压、外热、振动等的综合环境作用,工作条件恶劣.描述了管路地面热力学综合环境试验系统的建立方法,在地面模拟管路的热力学环境工况,对其进行充分的试验考核验证,对管路的综合考核具有重要的意义.     

北京强度环境研究所完成CZ-2F火箭POGO振动研究

在载人航天的运载火箭第五次飞行中,宇航员报告在一级火箭飞行末秒产生比较强烈的振动。北京强度环境研究所承担了该问题的研究工作。课题组根据飞行振动、输送管路脉动压力的遥测数据分析,认为这种振动的主要原因是产生了液体火箭的燃料输送系统和火箭结构系统动力学耦合的全箭POGO振动。为了证明POGO振动成因,进行了模拟介质和真实介质的输送管路脉动特性试验、全箭纵向模态试验,开展了管路特性计算分析和全箭POGO稳定性分析工作,证明了实际飞行时POG0振动的机理。     

共轴式直升机地面共振非线性仿真

建立了共轴式直升机旋翼/机体耦合的非线性动力学模型。在不考虑桨叶减摆器和起落架非线性因素的前提下，通过求解某模型直升机不同转速时桨叶摆振和机体运动的时域响应，确定了该直升机发生地面共振的转速范围，并与特征值分析确定的共振转速范围进行了对比验证。最后，分别采用非线性动力学模型和线性化模型对不同转速时的上、下旋翼桨叶摆振和机体运动响应进行了动态仿真计算，发现：在稳定区内，系统 非线性因素的影响不大；在不稳定区，非线性系统与线性化系统的响应特性呈现显著差异，且非线性系统将出现极限环现象。     

基于U-D分解滤波的GPS动态用户导航算法研究

本文将数值稳定性好、计算量小的序列U-D分解滤波算法应用到状态方程为线性、观测方程为非线性的GPS动态用户导航系统中。文中建立了高动态用户数学模型,推导了以伪距为观测量的系统测量方程。在给定飞机航迹的情况下,对系统进行了数字仿真。仿真结果表明,U-D分解滤波算法能更有效地适合动态用户GPS导航系统。     

输送管路低频压力脉动研究

运载火箭飞行过程中,推进剂输送管路系统中有时会出现低频压力脉动现象。针对该现象,以输送管路系统为研究对象,进行了其固有频率的理论分析和研究,并开展了AMESim仿真验证,对输送管路产生压力脉动产生的机理以及其影响因素进行了初步研究。通过仿真试验分析,找出并验证了对输送管路系统压力脉动频率起作用的主要因素,在此基础上,初步建立了相应的输送管路脉动压力计算公式,方便后续工程应用。     

考虑界面微观滑移的连接非线性系统多尺度分析

振动环境下,连接界面上存在着复杂的多尺度粘滑摩擦行为,进而造成含连接系统复杂的非线性振动现象。本文针对机械结构中的搭接连接系统,采用改进的Iwan迟滞非线性模型建模连接界面的多尺度粘滑行为,建立了连接系统的非线性运动方程,利用多尺度摄动分析方法研究了系统在初始条件下的自由振动,获得了系统响应的近似解析解并与直接数值积分解进行了对比;研究了粘性阻尼系数、刚度比等参数对系统动力学响应的影响。结果表明,Iwan迟滞非线性模型能够复现界面多尺度的微观粘滑行为;多尺度近似解析解和数值解吻合很好;连接系统的自由振动过程中,系统相轨迹以螺线收敛,但平衡位置可能发生偏移;界面切向刚度表现出随振幅增大而减小的软化非线性特点,系统瞬时固有频率随振幅减小而增大;振动过程中连接界面单位周期的能量耗散随振动幅值的减小而减小。研究结果为进一步探索含连接复杂装配结构的非线性动力学行为提供了基础。     

Working Mechanism of a Kind of Non-resonant Linear Piezoelectric Motor with Flexible Driving End

A non-resonant piezoelectric linear motor with a flexible driving end,which has an extensive working frequency range and good operation stability,is studied theoretically and experimentally.Based on the microscopic vibration characteristics of the motor stator,the longitudinal vibration model is established for the whole motor system.According to the Coulomb friction model and the motor vibration model,the friction mechanism of the nonresonant piezoelectric linear motor is investigated by dynamical analysis of the whole motor system.Furthermore,the vibration characteristics and mechanical output characteristics of the stator are simulated and experimentally studied on the basis of the friction drive mechanism model.Finally,both the simulation and experimental results show that this kind of motor remain stable in the frequency domain from 2.2 kHz to 3.5 kHz and that when the pre-stress is 4 Nand the driving voltage is 90 V,the maximum velocity of the motor is above 4 mm/s and the maximum thrust is nearly 0.5 N.     

数字模拟技术在非线性随机响应分析中的应用

本文将数字模拟方法与NASTRAN软件的非线性瞬态响应模块结合起来，用于求解在随机激励下非线性系统的随机响应问题，同时用该方法对一个典型结构（悬臂矩型板）进行了计算与实验，结果是令人满意的。     

基于神经网络技术实现磁流变阻尼器对结构振动的优化控制(英文)

磁流变 ( MR)阻尼器是土木结构振动控制领域最有应用前景的半主动控制装置之一 ,但由于 MR阻尼器的高度非线性动特性 ,使得描述其逆向动特性的数学模型很难得到 ,即根据理想的阻尼力确定出 MR阻尼器所需的输入电压。然而 ,对基于 MR阻尼器的结构振动控制设计和仿真 ,这种反映阻尼力 -电压关系的逆向动特性模型是十分重要的。为此 ,本项研究针对 MR阻尼器的非线性特性 ,提出运用神经网络技术建立 MR阻尼器的神经网络模型来模拟其逆向动特性 ,神经网络模型的输出即为产生理想的阻尼力所需的输入电压。通过数值仿真结果探讨所提出的结构振动控制策略的适用性和有效性     

基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化

针对升力式飞行器再入终端需要满足窗口约束条件的情况,提出了一种基于模型预测算法的再入轨迹优化方法。该方法利用预测模型和滚动优化策略将非线性多约束优化问题转化为线性优化目标函数,并采用二次规划法求解该轨迹优化问题,得到了满足相应约束的亚轨道再入轨道。以某升力式再入飞行器为对象进行了纵向轨迹优化计算,仿真结果验证了该轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。     

直接加热式换热器中若干问题的探讨

目前广泛使用的直接加热式换热器,存在着热效率低、振动和噪声大的问题。本文通过对汽泡运动与热交换的理论分析和数值计算,以及对蒸汽激励与防噪声的分析,提出既可提高热效率又可大大降低振动与噪声的结构方案。实验证明了这种结构方案的有效性及其在工程中应用的可行性。     

推进剂贮箱液体晃动的仿真研究与验证

应用CFD软件进行了三维液体晃动仿真计算,得出了全部等效动力学模型参数,仿真结果与解析公式或试验结果符合得很好.还通过仿真计算进行了地面试验的相似准则分析,证明CFD对液体晃动仿真研究是可行的.通过仿真分析,可以获取异形贮箱的晃动特性,辅助和指导地面缩比模型晃动试验的进行.     

星箭力限试验条件设计研究

阐述了星箭振动试验过程中的过试验现象及其机理,分析了几种常用的力限试验条件设计方法。通过建立星箭分析模型,利用三种分析方法进行了星箭力限试验条件的计算,并与星箭耦合分析、振动台仿真分析结果进行了对比。表明如果两个子系统的有限元分析模型和外载荷在分析频段均可靠,直接通过有限元软件获得界面力和界面加速度,并进一步得出二者的转换关系,应更有应用价值。在有限元模型不可靠或星箭结构方案设计阶段,基于复杂二自由度模型的简化分析方法,可以较好地得到力限试验条件。     

一种简单有效的层合板壳单元

本文通过修正普通四边形单元的横向剪切应变能而得到了一种新的四边形四节点壳单元(本文称之为L_3单元)。该单元每个节点有五个自由度,适用于各向同性、正交异性和层合板壳的线性、非线性及稳定性有限元分析。文中给出了各种类型板壳结构的算例。数值结果表明,该单元不仅公式简单、自由度少,而且具有令人满意的精度和收敛特性。     

基于LPV模型参考自适应飞行边界保护控制

进行有效的飞行边界保护控制有利于预防飞行失控。研究了一种基于线性参数变化(Linear parameter varing,LPV)模型参考自适应飞行边界保护控制方法。基于函数替换方法构建了仿射参数依赖LPV飞行动力学模型,通过调度变量的动态变化来减小与全量非线性动力学模型的失配。将实时飞行边界保护转为有约束广义预测控制问题,设计了数值算法以实现对舵偏角控制量及其增量、飞行状态参数的边界保护。通过仿真分析表明,LPV模型能够较好地逼近全量模型,反映出瞬时飞行动态;通过有约束广义预测控制数值算法能够有效地实现飞行边界的保护控制。     

升力体高超声速飞行器横向气动特性研究

升力体高超声速飞行器具有较高升阻比,但稳定性尤其是横侧向稳定性差,研究表明,在横侧向两个方向中,横向稳定性更弱。为了深入理解升力体高超声速飞行器最薄弱的横向稳定性问题,进行了两种典型升力体高超声速飞行器滚转动稳定特性的风洞试验研究。试验采用自由振动方法,试验马赫数5和6,单位雷诺数分别为Re/L=2.3×107和2.0×107。试验结果表明:升力体模型一在小迎角就出现自激振动,判断是由于头部存在非对称转捩引起,通过在模型前体顺气流方向布置绊线促使流动在绊线处对称转捩的方式,有效抑制了模型的自激振动,并使受激后的滚转自由振动曲线线性增强,滚转动态稳定性增加;升力体试验模型二的滚转非定常气动力的试验中模型的振荡具有较强多频谱和周期性特征,对该试验模型加绊线前多种状态的滚转非定常振动曲线进行的谱分析发现,它们都存在除机械阻尼外的3个振动频率,说明高超声速横向绕流有3个特征尺度,即横向分离或转捩流动有3个不同的尺度。建立由这3个振动频率余弦和形式表达的滚转力矩数学模型。从数学模型值与相应气动数据的对比来看,3个振动频率建立的数学模型捕捉了升力体高超声速飞行器滚转非定常气动力试验曲线的基本趋势,也涵盖了滚转力矩主要的量值范围。