星箭耦合力学分析中的卫星混合模型研究

为准确预示卫星所承受的载荷和动力学环境,需要卫星研制单位提供卫星动力学模型,进行星箭耦合动力学响应分析。随着“细长型”构型卫星逐步增多,仅以星箭界面载荷进行卫星强度校核会带来较严重的过设计,需要形成一种适应内部界面载荷提取的卫星分析模型生成方法。基于子结构缩聚及装配的基本原理,将卫星合理划分为多个子结构,推导了各子结构缩聚后质量和刚度矩阵的生成方式,介绍了子结构间物理连接单元与各子结构缩聚模型装配的原理以及卫星混合数学模型生成过程。以某典型卫星结构为例进行分析验证,结果表明:卫星混合模型在保留了缩聚模型各项优点基础上,实现了卫星内部界面物理单元的载荷输出。     

一种航天器火工冲击源建模和分析方法

为解决航天器火工冲击力学环境预示中无法确定载荷力函数的问题,提出一种基于流体编程软件（Hydrocodes）的“振源系统-近场结构”一体化建模和分析方法,分析由火工品触发的航天器星箭分离机构及其他解锁释放机构的冲击过程,从中提取力函数, 实现对振源与主结构的解耦分析。以包带式星箭分离结构为例,对该方法的可行性进行研究和论证。通过对模型进行爆炸冲击直接加载和力函数的解耦加载这两轮计算结果的对比分析,初步校验了该方法的可行性。通过对模型的耦合性分析和对其简化模型的分析,进一步校验了局部建模的合理性和解耦分析的准确性。该方法是一种能够确定航天器火工冲击源函数的可行方法,为从工程上解决航天器火工冲击的响应预示问题奠定了基础。     

皮卫星星箭分离机构运动系统设计

为实现“皮星一号A”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星星箭分离机构运动系统进行了分析设计。首先,根据皮卫星与凸轮限位机构间的受力情况和能量守恒定理确定了凸轮轮廓尺寸和分离弹簧结构参数,在此基础上建立了星箭分离过程动力学模型,通过对动力学模型的数值计算确定满足无干涉分离条件的舱门扭簧弹性系数。星箭分离过程的仿真计算和试验校验了“皮星一号A”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速率均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

皮卫星分离参数优化

为实现“浙大皮星二号”卫星无干涉分离,达到分离初始姿态要求,对皮卫星分离机构进行了设计、理论分析及优化。通过对分离系统动力学特性分析,得出了影响该分离系统的关键因素,同时对星箭分离机构运动系统进行了优化,并进行了试验验证。仿真分析及试验结果表明：该设计能够完全满足分离机构分离速度和角速度要求,星箭分离过程的仿真分析和试验校验了“浙大皮星二号”星箭分离机构可实现无干涉分离,皮卫星初始速度、角速度均满足所提出的各项初始分离姿态要求。     

统计能量分析法在爆炸分离冲击响应预示中的应用

针对复杂结构的爆炸分离冲击问题,文章采用统计能量分析方法对其响应进行了计算分析。首先对切割索产生的连续载荷进行了离散处理,然后基于统计能量分析并结合虚拟模态综合法,对航天器分离过程中的冲击响应进行了预示。得到的结果符合爆炸分离冲击环境下结构响应特征及其传递规律,对航天器抗冲击设计与评估具有一定的参考价值。     

力/热环境下复合材料薄壁结构的分离动力学分析

基于显式动力学分析模拟了力/热环境下复合材料薄壁结构的分离过程,基于计及不确定性的Chang-Chang失效准则评估了复合材料结构的可靠性,进而探究了气动力载荷和温度载荷对结构分离动力学以及复合材料结构强度可靠性的影响规律。结果表明:气动力载荷及温度的升高均会加速结构的分离过程;高温会显著影响结构脱离时刻的转动角度,进而改变了结构的脱离姿态;系统可靠性随温度载荷的升高而降低。     

固体火箭发动机撞击变形及装药内部热点形成数值分析

以热粘弹理论和动力有限元法为基础,结合机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型,分析计算了发动机壳体和装药结构撞击变形及装药内部热点形成,确定了产生高温热点撞击临界速度。计算模型中考虑了推进剂初始弥散细观裂纹离散、裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、基体粘性加热对热点形成影响等问题。通过与高能炸药Steven撞击试验结果进行对比分析,证明了理论模型及计算方法的有效性。计算了某小型发动机撞击试验临界速度。     

新型整星隔振器隔振性能分析

对整星进行振动隔离是降低作用于卫星上振动载荷的有效方法。在不改变火箭及卫星现有结构条件下，设计新型圆盘隔振器来实现整星隔振。通过建立隔振器动力学方程及有限元模型，分析了卫星-圆盘隔振器耦合系统的复模态、振动传递率及不同阻尼对隔振效果的影响。结果表明，在不改变星箭结构条件下，新型圆盘隔振器能有效地隔离振动载荷。     

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的撞击载荷分析

文章为了分析超高速弹丸对Whipple防护结构后墙的撞击损伤,利用质量守恒、动量守恒及能量守恒等分析了碎片云运动特性,在此基础上构造了碎片云对Whipple防护结构后墙的法向撞击载荷函数,为进一步分析弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后其后墙的裂纹长度提供了有效的分析工具。     

运载火箭摇摆发动机与全箭动力学特性耦合关系研究

针对运载火箭“摆动发动机-伺服回路”负载频率低,可能影响全箭弹性模态稳定性的问题,首先建立了包含“发动机-伺服回路”动力学模型的全箭动力学模型,分析了“发动机－伺服回路”负载频率对伺服机构传递函数和控制系统开环传递函数特性的影响,指出了“发动机－伺服回路”负载频率与箭体弹性模态之间的动力学耦合关系,给出了保证弹性模态稳定的谐振频率判据,最后计算了保证全箭弹性模态稳定的负载频率边界值,并通过仿真算例验证了结果的正确性。研究结果表明,“发动机－伺服回路”局部的负载频率通过惯性负载力矩作用与全箭弹性模态形成耦合,当负载频率位于上、下边界值范围之内时就会导致某些弹性模态不稳定,因此在实际工程中应对负载频率进行限制,以保证运载火箭的飞行安全。
     

运载火箭飞行载荷联合优化控制技术

为了解决基于模块化研制的运载火箭其飞行剖面载荷与承载能力不匹配而导致发射概率过低的问题,提出一种基于弹道风修、发动机节流、主动减载、横向动载荷精细化四项减载技术的飞行载荷联合优化控制技术。以箭体承载能力为约束,提高发射概率为目标,多种载荷控制技术联合为手段对运载火箭进行逆向设计,可以有效提高模块化研制火箭的发射概率。以长征八号运载火箭首飞为例,该技术成功将发射概率由研制初期的33%提高到83%。     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

LM-11——The Main Force in China's Small Launch Vehicles for Commercial Launch

The Long March 11 launch vehicle(LM-11) is the only solid launch vehicle within China's new-generation launch vehicle series, enabling a full spectrum of Chinese launch vehicles. Compared with other China's LM series launch vehicles, it has the shortest launch preparation time. With the characteristics of appropriate launch capability, quick response, easy-to-use, flexible operation, universal interface and strong task adaptability, LM-11 can better meet the launch requirements for various small networking satellite, replacement and for emergency use. After four successful launches, LM-11 has become the main Chinese launch vehicle oriented to the international small satellite commercial launch market.     

壁挂式主频可调变截面小卫星结构设计与验证

针对多星并联布局“一箭多星”发射小卫星的模式，为降低星箭连接界面结构受力、提高卫星结构对不同运载火箭的主频适应性、提高星内设备安装空间利用率，本文设计了一种壁挂式主频可调变截面小卫星结构。对该卫星结构，开展了基于有限元方法的模态和静力分析验证，还开展了地面鉴定级振动试验验证和在轨飞行试验验证。分析和试验结果表明，壁挂式卫星结构相比底部连接式卫星结构，星箭连接界面受力可降低67.7%；在不增加卫星结构质量的前提下，仅通过安装或拆卸主传力路径上的部分连接螺钉，就能实现卫星3个方向一阶频率10 Hz左右的可调范围；采用沿运载火箭轴线方向横截面大小可变的变截面结构设计，可将星内设备安装空间的利用率由等截面卫星结构的49.1%提高到74.2%。     

姿控载荷多约束下的内外弹道联合优化

为提升固体运载器整体性能,提出一种姿控载荷多约束的内外弹道联合优化建模方法。首先,建立固体运载器内弹道计算模型和外弹道计算模型,给出大风区和级间分离的姿态控制模型以及杆状减阻装置载荷计算模型。其次,以灵敏度分析方法选择出内外弹道设计参数作为优化设计变量,将姿控摆角需求、减阻杆承载能力作为约束条件,建立以射程最优为目标的优化模型。最后,将该方法应用在某三级固体运载器的优化设计中,以差分进化算法开展仿真校验,射程提高了10.8%,并且优化结果满足姿控和载荷约束。     

基于Matlab/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真

以CZ系列运载火箭为对象,提出了一种基于MATLAB/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真的方法。采用模块化的建模思想,建立决定箭体运动相关部分的数学模型,包括空气动力模型、发动机推力模型、六自由度运动学模型,然后对各个子模块分别采用Simulink建立单元仿真模型。通过对单元仿真模型的集成得到了火箭6自由度运动的仿真模型,基于该仿真模型进行了单元仿真。对比实测数据,证明提出的方法可行,模型建立正确。     

基于力法的超静定捆绑火箭传力特性研究

对于采用超静定捆绑的助推器来说,对捆绑装置载荷的准确预示是开展构型论证、结构设计和优化的关键工作。基于力法,推导了超静定捆绑助推器的捆绑载荷解析模型,并通过有限元方法进行了验证。在此基础上,获得了捆绑装置刚度、安装位置及捆绑个数对捆绑载荷的影响规律,从而为工程应用提供了一定的参考和理论支撑。     

长征三号甲系列运载火箭高适应性发展——从总体与导航制导控制的视角

从总体与导航制导控制的视角,对长征三号甲系列运载火箭发展与成就进行了分析和小结。长征三号甲系列运载火箭,在长征三号运载火箭解决我国发射高轨道卫星有无问题的基础上,历经基本能力、适应能力、高适应能力的发展,具备了高轨道大型卫星运载能力,突破了从单一轨道面到三维空间各种轨道发射、从高轨卫星转移轨道到工作轨道发射、从地球轨道到地月轨道发射以及从航天技术试验到高可靠工程应用发射等关键技术,使我国运载火箭整体能力取得了地球全轨道发射、星际轨道发射等跨越发展。航天重大工程和国际商业发射表明,该系列运载火箭已进入世界高轨道航天器发射的运载火箭前列,并奠定了进一步开拓发展的基础。