PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法

倾斜轨道卫星的光照条件和外热流变化规律复杂,使得卫星负载功率和输入功率处于复杂动态变化之中,这给卫星能量平衡准确分析带来很大的困难。文章提出一种基于卫星能量动态关联模型的能量平衡优化分析方法,通过合理选择电源工作模式和准确定位卫星最恶劣能量平衡情况,实现电源系统合理配置,优化能量平衡分析流程。以某倾斜轨道卫星的能量平衡优化分析实践为例,应用该方法建立的能源动态关联模型,可以准确确定太阳电池阵输出能力和储能设备容量,减小电源系统质量和尺寸,由此表明该分析合理、可行。     

国家数值风洞(NNW)工程在高超声速中的应用研究进展

随着CFD技术的快速发展,CFD数值模拟软件在飞行器研制中得到广泛应用,并已渗透航空航天等诸多领域的各个阶段,发挥着越来越重要的作用。国家数值风洞（NNW）工程坚持边建边用的原则,通过集成结构力学、飞行力学、工程热力学、声学、光学、电磁学、多相流体力学等学科软件,在航空航天、交通运输、能源动力、环保减灾等领域发挥了积极作用。总结了NNW软件在高超声速飞行器边界层转捩、湍流、高精度方法等领域的应用成果以及在解决复杂流动干扰、动态稳定性和多学科耦合问题上的最新进展。通过案例展示,使相关从业人员了解NNW软件的功能、特点,促进系列软件在全国的推广和应用。     

2022年深空探测进展与展望

<正>2022年,全球深空探测领域取得蓬勃发展。“天问”一号任务圆满完成科学探测任务目标;“嫦娥石”的发现让人类对月球起源与演化的理解更进一步;美国“阿尔忒弥斯” 1 (Artemis-1)任务成功发射,开启重返月球之旅;“双小行星重定向测试”(DART)任务完成全球首次近地天体撞击防御技术试验……人类探索深空的脚步从未停止,深空探测活动的疆域在不断扩大。本文对月球探测、行星探测、天文探测和近地小行星防御等方面的任务进展与科学发现进行归纳,对国际相关政策规划开展分析,并阐述了深空探测领域未来的发展重点与趋势。     

再入飞行器俯仰动态失稳的分叉理论与计算分析

采用非线性自治动力系统分叉理论,耦合求解非定常Navier-Stokes方程和俯仰运动方程,研究了再入飞行器单自由度俯仰运动失稳问题。研究表明,航天飞行器再入时,如果仅有一个配平攻角,随马赫数降低,其配平攻角处的俯仰动态失稳一般对应于Hopf分叉,并存在亚临界Hopf分叉和超临界Hopf分叉两种失稳形态。作为验证实例,数值模拟了飞船返回舱外形和平头有翼双锥外形的俯仰动态失稳现象。结果表明,返回舱再入时,随马赫数降低将发生超临界Hopf分叉,俯仰运动由点吸引子演化为周期吸引子,临界Hopf分叉点发生在马赫数2.2处;而平头再入体随马赫数降低,发生亚临界Hopf分叉,俯仰运动则是由周期吸引子演化为点吸引子,马赫数6.8为临界Hopf分叉点。     

可压缩湍流边界层壁面函数方法综述

以建立工程实用的高超声速湍流边界层模拟方法为目标,从湍流壁面函数是湍流边界层方程近似解的角度,梳理了相关文献的研究工作,得到如下认识:1)壁面函数与所求定解问题数值解的相容程度决定了壁面第一层网格允许放粗的程度,在流动分离点和再附点附近区域,目前壁面函数尚需进一步完善,而“子网格”壁面函数从理论上解决了相容性问题,尽管要耗费更多计算资源,但在目前计算资源相对充裕的条件下,仍不失为一个解决问题的途径;2)对于具有强压缩性和显著气动加热的高超声速湍流边界层流动而言,常用的解析形式并未充分考虑可压缩性和传热的影响,并在文中进行了重点探讨。最后,建议基于数据驱动技术和依托“子网格”壁面函数方法来发展更加普适的壁面函数。     

解析壁面函数的可压缩效应修正研究

基于适用于不可压缩流动的解析壁面函数,针对可压缩湍流边界层特征,考虑壁面网格内对流项变化和能量方程中黏性耗散项的影响,提出一种适用于可压缩流动的解析壁面函数。基于二维超声速和高超声速激波湍流边界层干扰流动,完成了粗网格高雷诺数k-ε模型加标准壁面函数、原始解析壁面函数、可压缩修正解析壁面函数和密网格低雷诺数Lauder-Sharma k-ε模型的对比计算。结果表明:四种湍流效应模拟策略都可以准确预测壁面压力和摩擦系数,而本文发展的考虑对流项分布和黏性耗散项影响的解析壁面函数不仅消除了原始解析壁面函数的非物理振荡,而且大幅提升了壁面函数壁面热流的预测精度,与密网格解最大差异不超过40%,预测结果接近于密网格低雷诺数模型结果,而标准壁面函数和原始解析壁面函数预测的壁面热流符号相反,且数值最大差异达500%。对于Ma5斜激波边界层干扰算例,本文构造的壁面函数计算时间仅为低雷诺数模型的5%左右,相较于其它壁面模型,计算时间仅增加了1%。     

太阳电池阵寄生电容影响分析与对策

给出了目前常用太阳电池阵寄生电容的典型值;分析了太阳电池阵寄生电容瞬间放电所产生较大峰值电流对电源控制器分流电路的过流影响,以及使分流调节电路出现两级同时调整的过调制状态所造成的响应滞后影响,并分别提出了峰值抑制电路和相位超前电路设计作为解决措施。仿真结果表明：峰值抑制电路设计能将寄生电容的放电电流抑制在分流管设计范围内,相位超前电路设计可有效解决电路延迟和寄生电容充电延迟造成的两级分流电路同时处于调整状态的过调制问题。     

航天器用氢镍蓄电池钝化技术研究

为了减缓蓄电池组爆炸产生的空间碎片,文章对常在航天器上应用的氢镍蓄电池的钝化技术进行了研究。首先分析了氢镍蓄电池的爆炸机理,然后针对氢镍蓄电池组提出了安全性设计方法;进行了过充电、过放电等蓄电池爆炸试验;研制了一台氢镍蓄电池钝化装置,进行了蓄电池钝化消能试验。     

“外气”物理性能初探

本文从大量测试结果的相互印证,认为“外气”有抑制放电的作用,从而说明“外气”能使盖革-缪勒计数器计数起伏增大,以及使感光板“感光”的实验现象。