运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

星载感应式磁力仪电控学箱设计与分析

为了保证感应式磁力仪电子器件在轨运行期间具备良好的工作环境,同时承受卫星发射过程中的载荷冲击,需设计散热性能优异、力学性能良好、抗辐射的感应式磁力仪电控学箱。文章综合考虑电控学箱的电路设计、结构设计和热设计,各系统设计同时进行,交互协调优化,提出了相应的设计方案。热、力学仿真分析对设计方案的初步验证结果表明:电控学箱在热设计和结构设计上均满足相关设计指标要求。文中所探讨电控学箱设计方法可以为其他电子设备的设计研制提供参考和依据。     

国际空间站环境试验标准及力、热试验方法综述

国际空间站是目前在轨运行的最大空间平台,具有系统体积庞大、构型复杂、接口众多、载荷种类不确定等特点。因此,系统级力学试验、热试验以及组件环境试验对空间站的设计和工艺验证非常重要。文章调研了国际空间站各舱段的系统级力学试验、热试验以及组件环境试验情况,以期为我国空间站的地面试验系统设计、研制提供参考。     

有摩擦补偿的驱动组件高精度位置控制研究

针对柔性、摩擦影响下的谐波驱动组件高精度位置控制问题,提出了一种自适应摩擦补偿的递阶控制策略。建立了考虑谐波驱动组件柔性、摩擦的级联动力学方程,采用LuGre摩擦模型描述摩擦特性,设计双状态观测器估计LuGre模型内部不可测状态,并引入自适应律辨识未知模型参数和惯量变化,实现了谐波驱动组件的高精度位置控制,并基于Lyapunov定理证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性,通过在空间机构驱动组件测试平台上的试验结果表明,该方法有效提高了驱动组件位置控制精度和鲁棒性。     

薄板光学反射面面形变形驱动器集成设计

针对某光学载荷薄板反射面面形调整需求,对一种新型精密微调驱动器开展了集成设计研究。分析了柔性太阳翼冷热交变对敏感载荷的影响,设计了一种基于巨磁致伸缩材料(GMM)的主动补偿驱动器,对驱动器关键部件进行了优化。建立了驱动器的动力学模型,并利用模糊自适应PID算法对其进行闭环控制。仿真结果表明:设计的驱动器能实现较大的行程、较高的定位精度,可用于面形变形补偿。     

主控格栅反射器基体结构/压电作动器参数集成优化设计

为提高反射器形面控制能力和减小在轨热变形，本文以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)驱动的主控格栅反射器为研究对象，开展反射器基体结构和PZT压电作动器参数的集成优化设计研究。首先，建立主控格栅反射器有限元模型并通过实验验证了有限元模型的正确性。然后，以形面控制能力最大和热变形最小为目标函数，以设计变量上限、下限和结构基频为约束，采用遗传算法(GA)和非支配排序遗传算法(NSGA II)求解。最后，给出多个仿真算例的优化结果。仿真结果表明，控制能力最大的单目标优化，其热变形远大于控制能力，多目标的帕累托(Pareto)最优前沿可以给出更合理的设计方案。通过优化设计可以显著提高形面控制能力和减小热变形。     

用于真空低温环境的热像仪设备舱方案设计和分析

为实现热像仪在真空低温环境下对目标红外辐射的测量,设计了热像仪设备舱。该舱主要包括机械结构与电气系统,可为热像仪提供温度可控、压力基本恒定的环境。其中,机械结构实现热像仪的结构支撑和密封,电气系统实现舱内的温度控制以及压力监测。文章运用有限元软件仿真分析了温度控制系统可实现的控温范围,并用试验方法验证了仿真分析方法的可靠性;还对设备舱的压力变化及密封圈所需的预紧力进行了估算。分析表明该设备舱能够为热像仪在真空低温环境下提供正常的工作条件。     

一类完整性控制系统的设计及其在挠性航天器中的应用

本文利用变形Riccati方程的性质,提出一种多变量控制系统设计法。所设计的系统动态特性好,具有最优性,且在执行器失效时具有完整性。文中就挠性航天器动力学控制问题进行了应用研究。     

Concept design of strain sensors inspired by campaniform sensilla

This paper presents a bio-inspired approach for the future design of strain sensors to be embedded in space structures. Campaniform sensilla are natural strain sensors and are used by insects for monitoring deformations of their body. The strategy used in nature is to locally amplify, through arrays of elliptical micro-holes, mechanical deformations. The authors focused their research on campaniform sensilla because of their simplicity and straightforward potential implementation in engineering systems. In this paper, the biological concept and structural analysis, performed to understand underlying principles, are presented and discussed.     

基于增广观测器的非线性系统执行器故障诊断

针对一类满足李普希茨条件的非线性系统,提出了一种新的执行器故障诊断方法。将执行器故障作为增广状态向量的一部分构造一个增广系统,然后利用线性矩阵不等式方法设计一个增广状态观测器,能够同时获得原系统的状态和执行器故障的渐近估计。利用李亚普诺夫理论分析了增广状态观测器的稳定性和收敛性。最后,将所提出的方法用于卫星姿态控制系统执行器的故障诊断,仿真结果验证了该方法的有效性。     

PLZT光致伸缩层合梁的非接触形状控制

以光电层合梁非接触形状控制问题为研究对象,阐述了PLZT光致伸缩驱动器的工作机理,建立了光-电-力-热耦合情况下的光电有限元模型,通过引入加强假定应变模式和假定自然应变法改善了单元的性能。在此基础上,以光致伸缩驱动器所受到的光强大小为设计变量,以光电层合梁的期望形状与控制形状的差值函数为目标函数,应用有限元法和遗传算法建立了求解基于PLZT光致伸缩驱动器层合梁非接触形状控制问题的一般方法。数值模拟的结果验证了该方法有效,表明该方法能够很好地实现光电层合梁结构的非接触形状控制。     

载人航天器密封舱内流动换热数值模拟研究

航天器密封舱主要以通风换热的方式排出舱内人员及设备的散热,从而控制舱内的温度水平。计算机数值模拟是研究舱内通风换热问题的有效方法。文章利用数值模拟软件I-DEAS,针对设定载人航天器,对其在轨状态下密封舱内复杂的流动换热进行稳态数值模拟,研究系统能量的流动和分配,评价通风设计方案的合理性。     

挠性航天器旋转机动的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器旋转机动的控制问题。考虑刚性主体上带有挠性粱的航天器，并假定它在一平面内作旋转运动。本文针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

一类挠性航天器的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器的姿态控制问题。考虑刚性主体上带有挠性梁的航天器，并假定系统在一平面内作旋转运动。针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，本文设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

受输入饱和约束的导弹直接侧向力/气动力

针对受输入饱和约束的直接侧向力与气动力复合控制的导弹,研究其自动驾驶仪设计问题。导弹的执行机构分别是舵机和侧向脉冲发动机。舵机提供的是连续的控制量,而侧向脉冲发动机提供的是离散的控制量。首先采用最优控制方法设计连续的舵控制器。再对设计好舵控回路的新受控弹体,基于含有界干扰项离散饱和系统不变集分析方法进行直接侧向力控制器的设计。设计过程中,充分考虑了舵偏角的饱和非线性因素以及侧向脉冲发动机点火数取整产生的量化误差。最后,利用数值仿真验证了所提出控制方法的有效性。     

分舱耦合体系下的新型卫星热控平台技术

首先说明了热控体系、热控平台技术、热控分系统、热控措施之间的关系,然后描述了卫星热控设计体系的构建过程,在此基础上,简述了卫星系统发展对热控体系提出的挑战和一个理想热控设计体系所应具有的特征,同时对当前已有的热控设计体系进行了分析,并进一步提出了满足未来卫星发展需要的分舱耦合热控设计体系,针对在该体系框架内,阐述了基于分舱耦合分布式和分舱耦合集中式的可能应用情况,最后,描述了其应用涉及的关键技术。通过分析认为,分舱耦合体系下的新型热控平台技术,是满足未来卫星发展需要的趋势。     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

星载行波管电源的热设计及热分析

文章对一种国产的、用于星上行波管电源所存在的热问题进行了讨论,分析了影响设备内部温度水平的关键因素,基于机、电、热一体化的思想提出了热设计方案,并通过计算机辅助技术,对方案进行了热分析仿真验证。     

A practical small satellite variable-speed control moment gyroscope for combined energy storage and attitude control

A recent effort to develop single-gimbal variable-speed control moment gyroscopes (VSCMGs) for a combined energy storage and attitude control subsystem (ESACS) on small satellites has culminated in laboratory validation of the concept. A single actuator prototype comprised of a cutting-edge Carbon Fiber rotor and COTS motor/generator components has been developed, balanced, bench tested, and integrated onto a spherical air-bearing structure. This structure is used to demonstrate the primary capability of a VSCMG to act as a dynamo whilst simultaneously changing a spacecraft's orientation in a controlled fashion. As originally predicted, the actuator's flywheel spins up when energy is supplied (supported via a direct energy transfer power architecture), then spins down when the energy source is removed, porting the energy released to run a resistive load.The work presented gives an overview of the governing principles of the technology, addresses the underlying mission and design requirements, and presents the prototype design. Then, effectiveness of the prototype integrated on a three-axis test article is presented along with its associated test data. Finally, discussion of these results and identification of future research concludes the work. The benefits of this technology for future space missions are that system consolidation permits mass reduction, higher instantaneous peak power is available as compared to conventional secondary battery systems, state-of-charge measurement is readily available from wheel speed feedback, and torque amplification through gimballing permits efficient actuator control. The technology demonstrated is exciting and leaves the door open for future development via inclusion of magnetic levitation.     

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。