30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。本文采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,之后对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,最后考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示：纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06mm~0.16mm范围内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动范围则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22mm和0.04mm;在10W、70W和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06mm、0.20mm和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。     

纤维方向对CFRP钻削温度场分布和孔壁质量的影响

为研究CFRP不同纤维方向对其钻孔温度场分布和孔壁质量的影响,对不同纤维方向角处切削形式进行理论分析和ABAQUS仿真分析,并结合CFRP单向板、正交板和准各向同性板的钻削温度分布测试试验与钻削温度场仿真分析。结果表明,碳纤维方向对钻削温度场的分布规律影响很大;通过电子显微镜和共聚焦显微镜对不同纤维方向角处孔壁质量观测对比,发现纤维方向角在θ=0°、θ=45°和θ=90°处孔壁质量较好,在θ=135°处孔壁质量较差。     

单一压力容器镍氢电池组几何参数对其温度场的影响

 针对实际空间用单一压力容器(IPV)镍氢电池组的传热特点,建立其瞬态热分析的数学物理仿真模型。通过设计改变电池组几何参数,包括电池组底板厚度、套筒高度和厚度,采用有限差分法,对比模拟研究电池组在飞船实际运行条件下几何参数对其温度场的影响。结果表明：套筒厚度对电池组温度场的影响最为敏感,增大套筒厚度可明显缩短电池组热系统达到平衡态的响应时间;其次是套筒高度;改变底板厚度对电池组温度场变化影响不明显。该研究为镍氢电池组的结构优化和热控制研究提供理论基础。     

旋流器结构参数对燃烧室燃烧性能影响的数值分析

采用数值分析方法研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律,从回流区特性、燃烧室温度场、出口温度特性、NOx排放等几个方面分析了燃烧室燃烧性能。研究结果表明:旋流器值班级第一、第二级以及主燃级叶片安装角和旋向对燃烧室燃烧性能有着重要影响;最佳叶片角度方案为值班级第一级叶片45°、第二级叶片45°、主燃级叶片安装角60°;最优旋向组合为值班级第一级叶片与第二级叶片反向,第二级叶片与主燃级叶片同向。     

二元高超声速进气道动态攻角特性风洞实验

为了研究攻角导致的来流定常/非定常变化对二元高超声速进气道性能的影响,在马赫3.85条件下,对一个设计马赫数为6.0的二元高超声速进气道进行了动态攻角变化的风洞实验。实验中,攻角在0°～8.2°连续变化,动态频率最大达到9.3Hz。实验研究表明:攻角在0°～8.2°连续变化过程中,进气道始终保持着起动状态;攻角增加使进气道出口增压比逐渐上升,流量系数、出口总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低;在保持起动状态的攻角连续变化过程中,振荡的二元高超声速进气道其性能变化趋势与准稳态时相似,攻角的动态变化未对进气道性能产生显著影响。     

膨胀偏流喷管高度补偿机制数值研究

为了研究膨胀偏流喷管高度补偿性能,采用CFD方法,对环喉式(ATEDN)和分散式(DTEDN)膨胀偏流喷管在不同高度的工作状态进行了研究,分析了高度变化对膨胀偏流喷管性能的影响和膨胀偏流喷管的高度补偿机制。结果表明:在工作高度0km～15km内,膨胀偏流喷管推力系数优于传统喷管,具有自动补偿能力,其工作模态是从低空"开放"模态转换到高空"闭合"模态。环喉式膨胀偏流喷管性能优于分散式膨胀偏流喷管,其中心体尾锥角、收敛角和初始角存在最优角度,分别为70°,5°和65°,其中收敛角对性能影响较小。对于分散式膨胀偏流喷管,喉孔数目为6喉孔的喷管高度积分总冲比4喉孔的喷管高1.94%;采用带状喉孔的喷管高度积分总冲比圆孔喉口的喷管高3.47%。     

温度对小型柔性接头力矩特性的影响

为了研究柔性接头在固定压强下力矩特性随温度的变化，设计了弹性材料为硅橡胶的小型柔性接头，测试了一系列0.1MPa容压条件下柔性接头在正弦激励下的动态特性，获得了不同温度时接头的摆角力矩曲线。根据接头在摆角为0°时的力矩获得摩擦力矩，根据摆角力矩曲线的近线性部分获得弹性比力矩，在此基础上研究了温度对各个力矩的影响。结果表明:作动力矩随温度的升高而减小，但温度对作动力矩的大小影响很小，库伦摩擦力矩随温度的升高而增加，弹性比力矩和总比力矩因发生热弹逆变现象随温度的升高先减小后增加，动态弹性模量和损耗系数随温度的升高而降低，能量损耗受动态弹性模量和损耗系数变化影响随温度的升高而降低.      

来流边界层对压气机平面叶栅角区流动的影响

为更准确地预测压气机静叶角区失速以及为角区流场优化提供理论支持,在压气机平面叶栅环境下,利用数值模拟和实验验证方法,研究来流边界层厚度变化对角区流场及角区失速特性的影响。在角区失速前后的典型工况,利用总压损失系数和折转角的展向分布显示不同流场结构引起的性能变化;利用表面极限流线、总压损失云图和Q判据等手段显示角区涡结构特点。结果表明,当来流边界层厚度从1%展长增加到25%展长时,角区失速提前3°攻角发生,叶栅低损失工作范围缩减近30%。而在角区失速发生后,来流边界层厚度变化对角区失速结构没有明显影响,但仍会增强叶栅内其他区域的二次流效应。     

双级径向旋流器燃烧性能的数值研究

设计一种双级径向旋流器,采用数值模拟的方法研究了旋流器的燃烧性能。计算结果表明：旋流器第Ⅱ级叶片安装角在40°～60°范围内,燃烧室内速度分布相差较小;燃烧室内温度分布与旋流器叶片安装角没有呈现规律性的变化关系;所研究的燃烧室结构,旋流器第Ⅱ级叶片安装角为60°的燃烧室燃烧性能更好。     

低速来流大攻角侧滑角状态下尖脊进气道气动特性试验研究

在低速来流状态下试验研究了大攻角(α=0°～45°)和侧滑角(β=-15°～15°)对Caret进气道气动性能的影响。给出了在各攻角下进气道性能参数随侧滑角变化的特点及典型状态下进气道出口总压恢复系数分布图谱,分析了出口总压分布图谱与进气口流动之间的关系。试验表明:在低速来流状态(Ma≈0.1)下,随着攻角的增加(α从0°增加到45°),进气道总压恢复系数下降较小,总压畸变指数几乎不变,这有利于飞机的大攻角机动飞行。      

Dynamic modeling and beating phenomenon analysis of space robots with continuum manipulators

Space robotics has been used extensively in complex space missions. Rigid-manipulator space robots may suffer from rigid-body collisions with targets. This collision is likely to cause damage to the space robot and the target. To overcome such a problem, a novel Continuum-Manipulator Space Robot (CMSR) for performing on-orbit servicing missions is proposed in this paper. Compared with rigid-manipulator space robots, CMSRs are able to perform compliant operations and avoid rigid-body collisions with a target. The CMSR consists of two kinds of flexible components, including solar arrays and continuum manipulators. The elastic vibrations of these flexible components disturb the position and attitude of CMSRs. The beating phenomenon introduced by the energy transfer among these flexible components can cause damage to solar arrays. The complicated dynamic coupling poses enormous challenges in dynamic modeling and vibration analysis. The dynamic model for CMSRs is derived and the mechanism of the beating phenomenon is analyzed in this paper. Simulation results show that an obvious beating phenomenon occurs and the amplitude of the solar arrays increases significantly when the natural frequencies of two kinds of flexible components are close. A method is provided to avoid the beating phenomenon.     

Parameter optimization for torsion spring of deployable solar array system with multiple clearance joints considering rigid–flexible coupling dynamics

In this paper, four novel evaluation indices and corresponding hierarchical optimization strategies are proposed for a deployable solar array system considering panel flexibility and joint clearance. The deployable solar array model consists of a rigid main-body, two panels and four key mechanisms, containing torsion spring mechanism, closed cable loop mechanism, latch mechanism and attitude adjustment mechanism. Rigid and flexible components are established by Nodal Coordinate Formulation and A...     

Singular formalism and admissible control of spacecraft with rotating flexible solar array

This paper is concerned with the attitude control of a three-axis-stabilized spacecraft which consists of a central rigid body and a flexible sun-tracking solar array driven by a solar array drive assembly. Based on the linearization of the dynamics of the spacecraft and the modal identi- ties about the flexible and rigid coupling matrices, the spacecraft attitude dynamics is reduced to a formally singular system with periodically varying parameters, which is quite different from a space- craft with fixed appendages. In the framework of the singular control theory, the regularity and impulse-freeness of the singular system is analyzed and then admissible attitude controllers are designed by Lyapunov＇s method. To improve the robustness against system uncertainties, an H∞ optimal control is designed by optimizing the H∞ norm of the system transfer function matrix. Comparative numerical experiments are performed to verify the theoretical results.     

重力姿轨耦合效应引起的太阳能电站轨道共振

以任意相控阵天线式空间太阳能电站为研究对象,主要研究了其在轨运行过程中受到的重力姿轨耦合效应对其轨道运动的影响。首先,通过Hamilton原理建立起考虑重力姿轨耦合效应时的姿态运动和轨道运动的方程。其中,任意相控阵天线式空间太阳能电站被简化成刚体,它的重力势能以其结构尺寸和其轨道半径的比值为小量进行泰勒展开,并保留至二阶项。之后,采用解析的方法对方程进行分析,并发现当电站的姿态运动满足一定条件时,其轨道运动将会出现共振现象。此外,重力姿轨耦合效应还会引起空间太阳能电站轨道运动长期的漂移,通过选择合适的轨道运动初始条件可以消除漂移;而且,在一定条件下,重力姿轨耦合效应还会引起轨道运动的发散。最后,数值仿真结果验证了分析的正确性。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

航天器太阳电池阵驱动装置的新进展

通常长寿命三轴稳定卫星都采用帆板式太阳电池阵进行能源供应,并使用太阳电池阵驱动装置使电池阵对日定向。国际上从20世纪60年代开始,不断开发研制太阳电池阵驱动装置,以满足在大功率、小型化、适应恶劣环境等方面的特殊需求,经过几代的发展,取得了长足的进步。根据国内收集的相关信息和资料,通过介绍国际该领域的发展及对应需求的典型产品,尝试分析该领域中相应的应用、研究的重点及发展的方向。     

基于多目标进化算法的卫星机动路径规划

建立了带挠性帆板卫星姿态控制问题的多目标优化模型,并基于一种多目标优化精英进化算法,规划卫星姿态机动的最优路径,以进一步提高卫星姿态控制系统的控制性能.仿真结果表明,所提方法只需运行一次,便能够有效地规划出一组多样性较好的非支配路径解,供决策者在不同的工作目标下选择,有效地缓解了卫星快速性、姿态稳定度、卫星机动所激发的帆板低振动强度之间的矛盾.      

Voltage-based maximum power point tracking control of PV system

Photovoltaic (PV) generators exhibit nonlinear v-i characteristics and maximum power (MP) points that vary with solar insulation. An intermediate converter can therefore increase efficiency by matching the PV system to the load and by operating the solar cell arrays (SCAs) at their maximum power point. An MP point tracking algorithm is developed using only SCA voltage information thus leading to current sensorless tracking control. The inadequacy of a boost converter for array voltage based MP point control is experimentally verified and an improved converter system is proposed. The proposed converter system results in low ripple content, which improves the array performance and hence a lower value of capacitance is sufficient on the solar array side. Simplified mathematical expressions for a PV source are derived. A signal flow graph is employed for modeling the converter system. Current sensorless peak power tracking effectiveness is demonstrated through simulation results. Experimental results are presented to validate the proposed method     

Flexible Solar Cell Arrays for Increased Space Power

The importance of solar cells for space power supplies continues with increased emphasis. The need for advances in the design of solar cell arrays becomes more pressing as the requirement for increased power levels is apparent. This paper discusses a flexible solar cell concept, includes a brief history of the development, describes a conceptual design for a 20-kW array, giving weight breakdown, and describes an existing design effort.