基于回收着陆段精细模型的飞船落点预报

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了回收着陆轨迹预报算法,分析比较了简化的三自由度动力学模型和精细的多体动力学模型的数值预报效果,并与“神舟八号”返回舱实时降落轨迹和实测落点位置进行了比较分析.结果表明,精细的伞-舱动力学模型为回收着陆气象风修正落点预报提供了更精确、更详细的信息,利用该模型预测返回降落轨迹和着陆落点位置,有助于减小飞船的搜救范围,缩短搜救时间.     

基于ISODATA模糊系统的飞船落点选优方法

针对如何从基于分布式并行计算获得的数千个飞船返回过程预报落点中优选出＂最可能＂落点这一问题,在充分考虑以往返回落点计算的先验知识和最新落点信息的基础上,设计了飞船返回的自适应聚类模糊系统,采用含有时间因子的迭代自组织数据分析算法研究了返回舱落点优选方法。最后,利用＂神舟八号＂返回落点实测数据进行模型检验。计算结果表明,该方法的落点预报精度较传统选优算法的预报精度高50%以上,同时具有较好的稳定性,可为飞船返回搜救提供技术支撑。     

“神舟”号飞船返回舱—推进舱之间弹簧分离装置研究

在航天器舱段之间弹簧分离中弹簧刚度和分离时间的计算公式基础上,根据"神舟"号飞船推进舱、返回舱的分离特点,给出了返回舱和推进舱弹簧分离装置的具体形式,然后运用动力学分析软件ADAMS对弹簧分离装置的性能进行了仿真分析,并根据分析结果对弹簧分离装置进行了改进。地面模拟试验及"神舟"号飞船飞行试验结果表明,弹簧分离装置性能稳定、可靠,满足飞行试验求。     

基于红外图像的返回舱被动测距

针对飞船返回段光学设备不能测距的问题,提出一种基于红外序列图像处理的返回舱被动测距方法。该方法选择主伞作为测量对象,利用最小外接矩形算法实现主伞轮廓图像测量,然后基于小孔成像理论,建立返回舱被动测距模型。为了减小图像噪声及边缘模糊对测量精度的影响,使用了前站引导数据修正以及距离值分段拟合等手段。实验结果表明,在没有连续云层遮蔽情况下,该方法对返回舱距离测量是可靠的和有效的。     

CZ-2F火箭整流罩残骸落点预报方法研究

为了快速搜索CZ-2F火箭整流罩残骸,研究了残骸坠落飞行规律和落点散布规律,建立了高空风修正的整流罩残骸落点预报模型,反推计算了以往任务整流罩残骸的特征面积,并按其分布规律分组计算了残骸坠落过程中出现的5类平均特征面积,依据出现概率将搜索范围缩小为5个32 km2的小区域,搜索面积减少了约90%。神舟十号任务中,整流罩残骸坠落于预报落区内,实际落点与预报落点间的距离小于2 km,增强了搜索工作的针对性,提高了搜索效率。     

基于自适应伪谱法的载人返回舱着陆段滑模制导方法

针对载人返回舱着陆段使用反推发动机定点着陆问题,基于自适应伪谱法和滑模控制理论提出一种轨迹跟踪制导方案,以同时实现着陆段姿态和轨迹跟踪。首先建立着陆段动力学模型,然后以燃耗最优为目标,使用自适应伪谱法获得着陆段姿态和轨迹指令,其次采用滑模控制理论设计了轨迹跟踪制导方法,实现着陆段轨迹跟踪控制,最后采用数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明:所提方法的燃料消耗和着陆精度均满足反推着陆任务的要求,可为载人飞船反推着陆方案的实施提供有益参考。     

飞船返回舱再入飞行迎角和侧滑角估计

迎角和侧滑角是飞船返回舱再入飞行试验气动分析工作所需的重要参数.本文发展了基于弹道重建的返回舱迎角和侧滑角估计方法.首先,利用舱上测量数据和有限的地面雷达测量数据,采用极大似然法进行弹道重建,再现黑障区的弹道,同时给出整个再入过程的弹道参数;然后,利用几何关系法计算迎角和侧滑角,并进行风修正.对某飞船返回舱的飞行试验数据进行了计算和分析,结果证实了弹道重建数学模型和算法的正确性以及迎角和侧滑角估计方法的有效性.     

基于Euler方程的返回舱气动外形优化设计方法研究

基于优化软件平台,选用合适的优化算法,完成优化设计。应用快速气动分析软件,通过求解Euler方程得到高超声速气动力特性,求解Fay-Riddell公式计算表面热流,通过算例对比验证了该方法的精度和效率。在CTV返回舱基础上验证并初步形成了快速有效的气动布局优化设计的方法,应用该方法完成了类神舟飞船返回舱外形的初步优化设计,为进一步的优化设计研究工作打下基础。     

飞机对称着陆多体动力学建模与实测验证

基于牛顿-欧拉多体动力学建模方法,建立了三体九自由度飞机对称着陆动力学模型.以某型双腔缓冲器起落架飞机为例,通过飞行实测不同状态下的起落架着陆动态载荷,仿真计算相应的着陆重量、着陆下沉速度及着陆姿态下的着陆动态载荷.验证分析结果表明,所建飞机对称着陆多体动力模型是有效的.     

典型弹道升力式火星进入器性能比较分析

进入器的减速效率和着陆精度是火星进入、下降、着陆过程的关键问题,利用数值方法分析了火星科学实验室、"龙飞船"和"猎户座"飞船三种典型弹道升力式火星进入器的气动特性和进入轨迹,研究气动参数、进入姿态和进入器质量等参数偏差对开伞状态的影响,比较典型弹道升力式火星进入器气动特性和着陆性能,讨论几何构型对弹道升力式火星进入器性能的影响。研究结果表明:钝锥前体外形可以产生更高的阻力系数,但与球冠大底相比气动热环境也更严酷;同样的进入条件的前提下,三种进入器进入过程的最大过载和开伞高度相差不大,"龙飞船"的开伞动压相对较低,有利于降低减速伞系的开伞载荷。相关研究结论可为我国后续火星探测任务进入器气动外形设计提供有益参考。     

载人飞船返回舱着水冲击问题研究进展

通过归纳一般物体入水冲击问题解析法和数值法的种类和发展,对载人飞船返回舱着水冲击问题进行了应用研究;重点对国内外工程上进行的返回舱着水实验进行了整理,并根据实验舱体的复杂程度将其分为模型实验和样机实验两类,指出分别使用刚性缩比模型、弹性缩比模型和样机进行着水实验时,成本、实验周期及其结果数据丰富程度递增的特点,指出了需要注意的弹性近似准确性和样机在不同实验工况下的适应性改造问题：同时对近年来研究较多的返回舱着水冲击问题的仿真分析方法进行了总结对比,讨论了其适用于任意舱体外形、任意姿态着水问题分析以及能够获得全过程详细动力学特性的优势。     

航天员舱外行走的多体动力学与稳定性仿真

通过开展航天员舱外行走全过程的多体动力学建模、开发并应用基于MATLAB平台的航天员舱外行走动力学与姿态稳定性分析仿真软件,对航天员全过程行走的动力学特性、扰动力矩和飞船的相关总体参数对喷气次数、喷气冲量的影响、飞船受扰的姿态稳定性,以及航天员身体受飞船姿控发动机喷气作用时受扰特性等问题完成了初步的研究分析。     

火箭助推器回收稳定减速阶段动力学仿真分析

针对火箭助推器的伞降回收稳定减速阶段,开展了助推器回收系统各部分受力分析,建立了多体系统的动力学方程组和约束方程组;同时搭建了火箭助推器回收系统的动力学模型,模拟了火箭助推器回收系统开始工作直至翼伞开伞前的整个过程。仿真结果表明:稳定伞和减速伞对火箭助推器起到了稳定姿态和减速作用,为翼伞开伞提供了条件;通过与试验数据的对比,验证了火箭助推器回收系统动力学模型的准确性。     

欧洲无翼飞船的再人、降落和着陆技术及验证

取消了欧洲有翼载人航天运输系统“赫尔梅斯”计划之后,研完了多种可能的无翼再入飞船方案,用于人员运输、空间站人员救援以及后勤补给任务。飞船结构的复杂性必须在先进性和可能性之间平衡。在欧洲飞船设计中遇到的一项挑战是要求在欧洲大陆精密着陆。本文介绍了无翼再入飞船再入、降落和着陆综合方案的策略。设想的飞船为密封舱型,不具备有翼飞船的横向和机动能力。必须进行适当的技术研究才能满足新型载人航天运输系统对着陆和回收的要求。此外;强度设计以及成本方面的设计必须仔细研究。本文研究了下列问题:着陆场选择敏感性、空气动力学性能、飞行控制定律、气动减速装置特性以及最后的缓冲着陆特性等。在下列方面进行了综合研究,即弹道降落伞与可控翼伞、制动反推火箭与气袋。提出了本方案的技术要求和有关的验证方法,以及总体方案演示程序。     

高速无人机着陆滑跑纠偏联合仿真研究

针对高空高速无人机着陆地面滑跑过程中的侧向偏移问题,建立了差动刹车和方向舵联合纠偏控制系统。使用动力学软件LMS Virtual. Lab Motion建立了包含阻力伞、气动舵面和起落架等设计因素的全机动力学模型,并与Matlab/Simulink控制模型进行全无人机着陆滑跑联合仿真分析,验证了在侧风情况下无人机着陆滑跑纠偏性能。仿真结果表明,所设计控制系统满足性能指标要求,在无人机的整个滑跑阶段均有良好的抗风纠偏效果。     

基于拉格朗日力学的伞-弹系统动力学模型

为了回避牛顿力学体系在多体动力学建模过程中存在的复杂约束力求解问题,以拉格朗日力学体系为基础,从分析力学的角度出发,建立了铅垂平面内降落伞-弹系统五自由度动力学模型。详细介绍了拉格朗日力学体系动力学建模过程,推导了铅垂平面内伞-弹系统动能公式,解决了伞-弹系统广义力求解问题,给出了伞-弹所受空气动力的广义力表示。算例将建立的伞-弹系统模型和牛顿力学体系下简化的伞-弹模型进行对比,两种模型计算结果吻合,验证了本文模型的正确性。降落伞-弹系统动力学模型验证了拉格朗日力学在常规飞行器动力学建模中的可行性,为使用ADAMS等基于拉格朗日力学思想建模的商业软件进行伞-弹系统动力学求解提供理论依据,可以用于指导伞-弹系统的分析和设计。     

跨流域空气动力学模拟方法与返回舱再入气动研究

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,综述基于Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,及由此建立返回舱再入气动力热绕流问题气体动理论统一算法研究进展与算法检验。作为方法间验证结合,进一步简述了融合再入热化学稀薄气体电离非平衡流动DSMC方法、近连续过渡流区N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界修正的N-S方程解算器、低密度风洞实验测试等多种空气动力学模拟手段,建立求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)、DSMC、N-S/DSMC、滑移N-S解算器、低密度风洞实验验证补充,适于返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。将此平台用于再入H=110～30km各流域球体、高超声速尖前缘中空柱裙、返回式卫星球锥体、飞船返回舱稀薄过渡流以至近连续流区气动力/热与姿态配平绕流问题计算与实验分析比较,证实统一算法在高稀薄流区,与DSMC吻合很好;在连续流区,与(滑移)N-S解算器相一致;在中间过渡带,与N-S/DSMC耦合算法相容;具有全飞行流域很好的计算一致收敛性。简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律。     

伞舱系统跟踪引导数据迭代算法

针对在返回舱乘伞下降阶段,测控链中弹道测量设备丢失目标,以及跟踪结束后无法外推生成可靠引导数据,光学设备难以快速捕获目标等问题,以风场修正模型为基础,通过风场提前修正与采用测量数据实际修正相结合的方法,建立伞舱系统跟踪引导数据迭代算法.利用多次返回段任务数据对该算法进行实验验证,并与实际任务中目前使用的方法进行比较,结果表明：通过该算法推算较长时间后的引导数据,其平均误差为现有方法的6％;推算较短时间后的引导数据,其平均误差为现有方法的20％.因此,利用该算法计算的引导数据精度较高,有助于光学设备及其他测控设备快速捕获或重捕目标.     

空间站工程海上应急救援保障新模式研究

载人空间站工程阶段,载人飞船发射任务呈现出高频度、常态化的特点,对上升段海上应急救援提出了新的要求。通过对国内外载人飞船海上应急搜救的现状分析,设计并提出了我国空间站工程海上应急救援保障新模式：在组织实施上,将交通运输部救捞系统纳入载人航天任务指挥系统,实现快速的应急响应和平战转换;在装备保障上,返回舱打捞、搜索定位、医疗救护系统、通信系统与船舶平台一体化设计,核心装备随船使用,尽量做到不拆不卸。最后,对现有模式和新模式进行了综合效益比较。     

基于多体动力学的大型翼伞系统飞行仿真分析

飞行动力学分析是大型翼伞系统设计及归航方案研究的重要基础。为此,提出了基于多体系统动力学理论的大型翼伞系统飞行动力学仿真分析方法,给出了相应的多体系统模型,建立了系统的运动学约束方程组和飞行动力学变分方程组。通过引入拉格朗日乘子,获得了大型翼伞系统封闭的飞行动力学方程组,对某大型翼伞系统的飞行动力学过程进行了仿真计算。结果表明,与小型翼伞系统相比,大型翼伞系统的稳定滑翔速度大、抗外界干扰能力强、转弯半径大、转弯周期长、操纵响应慢。此外,风速和风向对大型翼伞系统的飞行轨迹和着陆点的位置有明显影响。对于同一具翼伞,回收物重量和初始高度是影响留空时间的主要因素。所提方法可以有效、准确地应用于大型翼伞系统的飞行动力学仿真分析。