飞船返回控制精度分析与应用

将飞船返回控制过程按不同阶段进行分解,分析返回各阶段的返回控制精度影响因素,并标定返回制动推力系数。根据返回控制精度分析结果,进行技术状态改进,在神舟十号返回任务成功验证了引入返回泄压模型进行轨道预报、采用返回制动推力系数标定结果计算返回控制参数,可以有效提高返回控制精度,对如何减小返回控制误差,在工程设计上具有借鉴作用。     

可重复使用运载器连续推力轨迹回转机动方法研究

针对可重复使用运载器(RLV)原场返回过程中所面临的轨迹回转问题,提出了一种在亚轨道高度进行姿态调整并使飞行轨迹回转、指向发射场方向的机动方法.在RLV与上面级分离之后,利用RLV自身推力抵消背离发射场速度,最终使RLV飞行方向指向发射场并进入再入返回阶段.采用连续推力方案,利用最优控制理论推导得出满足轨迹回转终端要求的机动指令.仿真结果表明,该方法能够实现RLV与上面级分离后轨迹迅速回转,可为之后的返回原发射场提供保障.     

先验模型在载人飞船轨道返回泄压中的应用简

载人飞船返回前为保证正常分离而采用了泄压的模式.分析返回泄压影响轨道的问题,建立相应的简化轨道泄压力经验模型,利用载人飞船返回前的测轨数据进行分析,得到了一致的泄压摄动加速度,并将该参数和模型应用于神舟十号载人飞船返回过程中.结果表明,飞船轨道预报至返回制动点的精度达到百米级,与以前的飞船返回过程相比有效提高了制动点的预报精度.     

载人飞船利用返回舱反推发动机制动缓冲方案参数初步分析

随着深空探测任务的发展,载人飞船规模不断加大,返回舱再入返回的质量越来越大,主要依靠降落伞方式减速的难度也随之增大.分析国外在研载人飞船研制特点,特别是国外载人飞船配置反推发动机的可行性,提出利用反推发动机实现制动着陆的方案设想,重点是反推发动机点火高度、反推前返回舱下落姿态,以及反推发动机安装位置等对发动机推力、工作时间等参数分析.     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况.通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回.     

先验模型在载人飞船轨道返回泄压中的应用

载人飞船返回前为保证正常分离而采用了泄压的模式。分析返回泄压影响轨道的问题,建立相应的简化轨道泄压力经验模型,利用载人飞船返回前的测轨数据进行分析,得到了一致的泄压摄动加速度,并将该参数和模型应用于神舟十号载人飞船返回过程中。结果表明,飞船轨道预报至返回制动点的精度达到百米级,与以前的飞船返回过程相比有效提高了制动点的预报精度。     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况。通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回。     

航天飞机返回轨道

本文研究了航天飞机返回轨道的有关问题,分别对离轨段的优化,再入段的飞行“走廊”及控制规律等作了分析与计算,并就有关参数对再入段轨道的影响进行了讨论.     

双喷管差动式小推力测量装置的设计与分析

为了研究喷管型面对小推力火箭发动机推力性能的影响,设计并建设了双喷管差动式小推力测量装置及其附属设备.在测量装置中,基准喷管和待测喷管同轴反向设置,通过测量结构应变来直接测量两个喷管的推力差.对测量装置进行了简化模型理论分析,导出其灵敏系数理论公式.依据该公式进行关键参数设计,确定合理的灵敏系数,指导试验系统设计,以保证测量精度.验证性试验表明测量装置可以测量牛级推力差,标定曲线线性较好,以基准喷管推力作为比较对象,推力差的相对扩展不确定度为0.5％.推力差与基准喷管推力的比值越小,以基准喷管推力为比较对象的相对测量不确定度越小.测量装置可以用于小推力火箭发动机喷管性能分析及优化的试验研究.     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法

再入地球大气是探月飞船返回的关键阶段,再入制导是返回再入中的难点问题.飞船跳跃式再入过程复杂,标准轨道制导方法难以满足任务要求,因此具有高精度和强鲁棒性的预测—校正制导方法成为解决问题的首选.以探月飞船跳跃式再入为背景,设计了数值预测—校正制导律,研究了基于嵌套式积分算法的航程快速预报方法和基于有界试位法的倾侧角剖面快速更新算法,提出了一种气动系数误差和大气密度误差的在线参数辨识方法,并基于最大偏差法和蒙特卡洛打靶法进行了仿真分析.结果表明,预测—校正再入制导方法在跳跃式再入问题上具有较高的精度和较好的鲁棒性.5 000 km再入航程时,开伞点误差在2.5 km以内.     

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。     

Coupled thermal,structural and vibrational analysis of a hypersonic engine for flight test

This paper describes a relatively simple and quick method for implementing aerodynamic heating models into a finite element code for non-linear transient thermal-structural and thermal-structural-vibrational analyses of a Mach 10 generic HyShot scramjet engine. The thermal-structural-vibrational response of the engine was studied for the descent trajectory from 60 to 26 km. Aerodynamic heating fluxes, as a function of spatial position and time for varying trajectory points, were implemented in the transient heat analysis. Additionally, the combined effect of varying dynamic pressure and thermal loads with altitude was considered. This aero-thermal-structural analysis capability was used to assess the temperature distribution, engine geometry distortion and yielding of the structural material due to aerodynamic heating during the descent trajectory, and for optimising the wall thickness, nose radius of leading edge, etc. of the engine intake. A structural vibration analysis was also performed following the aero-thermal-structural analysis to determine the changes in natural frequencies of the structural vibration modes that occur at the various temperatures associated with the descent trajectory. This analysis provides a unique and relatively simple design strategy for predicting and mitigating the thermal-structural-vibrational response of hypersonic engines.     

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.     

飞机刹车系统方案设计及仿真分析

构建飞机刹车系统方案设计环境,以提高飞机刹车系统方案设计阶段的设计效率和质量。研究刹车装置参数和防滑控制系统参数的快速确定方法,通过迭代的设计思想使结果符合设计要求;估算刹车装置性能和刹车系统的动态特性。在MATLAB／Simulink中建立刹车系统模型,通过MATLAB引擎调用的方式进行刹车系统的动力学分析;以某无人机刹车系统为设计实例进行其刹车系统的方案设计,动力学仿真中刹车系统工作良好,与实际工作状况基本吻合。结果表明：本文提供的飞机刹车方案设计方法快速有效。     

飞船再入制导研究

在配平迎角飞行的合理假设下，建立了描述载人飞船再入飞行段弹道的数学仿真模型。在飞船再入标准轨道设计和再入机动边界计算的基础上，研究了基于标准轨道法的飞船再入飞行制导规律。六自由度飞行弹道的数学仿真证明，设计的制导律能满足飞船再入飞行制导和定点着陆的要求，同时还得到了飞船再入飞行的某些运动规律和一些有益的结论。     

飞船返回舱红外跟踪

提出一种联合大底检测的改进的Mean-Shift（均值移位）算法,将其应用于返回舱红外跟踪。新算法采用非均匀量化加权直方图构造目标特征矢量,以提高目标描述的准确性。为避免跟踪到大底上去,使用＂滑窗式＂大底检测算法实时修正Mean-Shift跟踪坐标。通过对飞船返回实况判读验证,提出的新算法处理速度达到20帧/s以上,并且能够可靠和准确地跟踪返回舱。     

飞行器跨声速区俯仰力矩系数建模方法研究

飞行器气动力建模的准确性对其飞控系统设计、仿真和飞行性能分析有显著影响.在跨声速区马赫数变化对飞行器气动力影响显著,并且呈严重非线性,而在通常的气动力建模方法中却很少考虑马赫数的影响.本文对此问题进行了研究,根据某空空导弹和某返回舱俯仰力矩系数在跨声速区体现出来的特点,提出并建立了俯仰力矩系数随马赫数变化的概率函数模型.采用遗传算法辨识得到了某空空导弹和某返回舱的俯仰力矩系数建模结果,与风洞试验数据的比较表明,本文提出的概率函数模型确实比较好地描述了这些飞行器俯仰力矩系数在跨声速区随马赫数的变化规律.     

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。