椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

椭圆轨道编队飞行的典型模态与构型保持控制方法

基于T H方程推导了椭圆参考轨道编队飞行的周期性条件,讨论了椭圆参考轨道卫星编队飞行的典型模态。该模态是圆形参考轨道空间圆形模态的推广。论述了二阶带谐项(J2项)摄动对编队飞行构型保持的影响,基于相平面法提出了一种编队飞行构型保持控制方法。该控制方法不是消极的抵消干扰的影响,而是积极的利用干扰的作用达到节约燃料并精确保持构型的目的。仿真表明,采用该控制方法可对椭圆参考轨道卫星编队构型进行有效的保持。     

卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。     

航天器编队飞行的周期脉冲控制与燃料分析

针对航天器编队飞行,建立了小偏心率时的相对运动关系,获得了轨道根数差与编队构型参数间的相互转化关系。对编队飞行采用周期脉冲控制方法,在1个轨道周期内消除轨道根数偏差。定量分析了编队重构和J2项摄动下构型长期保持控制的燃料消耗。仿真结果验证了控制方法和燃料分析的准确性。     

卫星伴随飞行的最优控制策略研究

伴随飞行技术在卫星编队、相互观测等活动中具有重要应用。为实现卫星对同一轨道 面内,相对距离较远的近圆轨道目标飞行器形成相对椭圆伴飞,本文按照燃料最优原则,利 用Hill方程推导得到稳态椭圆伴随飞行条件。以此为依据计算控制量,结合工程实际, 对 控制量进行线性规划,在规定时间完成半长轴、偏心率及两飞行器相对相位兼顾调整,最大 程度节省燃料,实现对目标飞行器伴飞。
     

基于Lyapunov势函数的小卫星编队队形保持方法

在考虑地球非球形引力J2项摄动时,用Lyaounov势函数法推导了连续和离散两种控制方法,以保持与控制运行于椭圆轨道的小卫星编队飞行位置。建立了相应的数学模型,并证明两种控制方法均可实现系统的稳定。理论分析和仿真结果表明,两种方法均能在规定的时间内将伴随星控制到理想位置,并在相同的轨道条件下比较了两者的燃料消耗。     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

带燃料均衡的空间多飞行器编队重构的轨道规划方法

航天任务需求的多样化对空间多飞行器编队重构的轨道规划问题不仅提出了燃料或时间最优的要求,还提出了燃料和时间最优以及燃料均衡的要求。将带燃料均衡的多飞行器编队重构的轨道规划建模为一个多目标优化问题,通过将进化计算与问题领域的知识相结合,提出了一种基于小生境进化算法的最优轨道规划方法。该方法能从变轨时间、燃料消耗和燃料消耗方差三方面分别评价一个变轨方案的最优性,并且一次规划能够提供多个Pareto最优变轨方案。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性,还揭示了编队重构轨道规划问题的三个优化目标之间的关系,对于制定任务计划具有重要的参考价值。     

椭圆参考轨道水平圆构形编队设计与演化

以椭圆参考轨道周期性线性绕飞条件为约束,给出了形式简单直观的椭圆参考轨道周期性相对运动的解析解。该解析解消除了Carter解中的定积分项,具备简单的表达形式,可方便快速地设计椭圆参考轨道编队卫星的构形。通过对周期性解析解的直观分析,设计了椭圆参考轨道水平圆编队构形,将水平圆构形的设计由传统的圆参考轨道推广到椭圆参考轨道;分析了椭圆参考轨道水平圆构形的特点,并研究了它的演变规律。该研究加深了对椭圆参考轨道周期性相对运动的理解,扩展了水平圆编队的应用范围。     

航天器推力器配置的两项新性能指标

以完善推力器配置的性能分析为目的,从推力器配置对误差的鲁棒性以及燃耗这两个角度出发,提出了两项新的性能指标--配置阵的最小奇异值和平均燃耗.首先,由矩阵相关理论引入了配置阵的最小奇异值,并通过算例验证了它反映配置阵抗干扰能力的有效性;然后分析了控制指令的空间分布与配置推力矢量的空间分布之间的关系,通过仿真算例验证了它在反映不同配置的燃耗差异上的有效性.     

肼类燃料蒸汽污染控制技术

针对肼类燃料在使用中产生的蒸汽会对大气造成污染这一问题 ,介绍了肼类推进剂气体污染控制方法。这些方法主要有洗涤吸收法、气体扩散法、焚烧法、活性炭吸附法、催化法、喷雾法、冷却法、泡沫覆盖法、固体粉末消污法等。论述了国内外肼类气体污染控制的各种技术 ,并对各种技术特点进行了对比与分析     

核热推进反应堆燃料元件发展概述

深空探测作为我国航天领域未来的重要任务之一,需要性能更高的推进系统提供动力。核热推进系统具有高比冲、大推力、长运行寿命、可重复启动等优点,可为未来深空探测任务提供可靠的动力支撑。经过了60多年的发展,核热推进固态堆芯燃料元件被研制出了多种类型,如六棱柱石墨基燃料元件、扭曲条带燃料元件、六棱柱金属陶瓷燃料元件、球形包覆颗粒燃料元件、MITEE型燃料元件、SLHC型燃料元件、Grooved Ring型燃料元件等。总结归纳了核热推进固态堆芯燃料元件的发展状况,提出了发展核热推进固态堆芯燃料元件的关键技术,可为我国核热推进系统燃料元件的研制提供借鉴。     

Experimental investigation of fuel regression rate in a HTPB based lab-scale hybrid rocket motor

The fuel regression rate is an important parameter in the design process of the hybrid rocket motor. Additives in the solid fuel may have influences on the fuel regression rate, which will affect the internal ballistics of the motor. A series of firing experiments have been conducted on lab-scale hybrid rocket motors with 98% hydrogen peroxide (H₂O₂) oxidizer and hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) based fuels in this paper. An innovative fuel regression rate analysis method is established to diminish the errors caused by start and tailing stages in a short time firing test. The effects of the metal Mg, Al, aromatic hydrocarbon anthracene (C₁₄H₁₀), and carbon black (C) on the fuel regression rate are investigated. The fuel regression rate formulas of different fuel components are fitted according to the experiment data. The results indicate that the influence of C₁₄H₁₀ on the fuel regression rate of HTPB is not evident. However, the metal additives in the HTPB fuel can increase the fuel regression rate significantly.     

基于伴飞模式的补给星轨道设计与优化

针对采用伴飞模式的星座燃料补给问题,本文对其补给星的轨道进行了设计与优化。在给出补给星的轨道设计之后,利用遗传算法对补给星轨道机动所消耗的燃料质量以及每次转移给工作星的燃料质量进行了优化求解,使得补给星燃料利用率达到最高。仿真结果同时给出了燃料利用率与工作星轨道高度以及星座中卫星数目之间的关系,该结论对采用伴飞模式的星座燃料补给研究提供了较好的理论参考。     

火箭返回制导动力着陆段的自适应启动方法

针对重复使用火箭垂直返回着陆问题,提出了一种燃料最优的动力着陆段自适应启动方法。首先,将燃料最优启动点对应的动力着陆轨迹的推力剖面和攻角剖面描述为解析的形式,该解析形式中攻角剖面由状态量唯一确定,推力剖面仅含一个待定参数。随后,通过预测具有上述解析剖面形式的轨迹判断是否启动动力着陆。计算中引入松弛终端位置约束的策略求解推力剖面待定参数,由终端位置约束判断是否满足燃料最优启动条件。上述策略将燃料最优启动条件的判断问题简化为单一变量求解问题,实现了该问题的快速求解。仿真结果表明,该方法得到的启动点与数值优化方法得到的燃料最优启动点接近,且求解过程稳定、计算效率高。     

Experimental study of a flush wall scramjet combustor equipped with strut/wall fuel injection

In this study a flush wall scramjet combustor is tested in a supersonic incoming air flow with the Mach number of 3 which is generated by an air vitiation heater producing the stagnation temperature of 1505 K. Using liquid kerosene as the fuel, the flame is stabilized by means of a centrally mounted O₂ pilot strut after being ignited by a plasma torch. During experimental measurements, the fuel is injected with a constant equivalence ratio of 0.8 according to specified strut/wall injection ratios, i.e., a portion of the fuel amount is injected from the strut while the rest is injected from the wall. The strut and wall injectors are arranged at the same axial position. The combustion performance and wall temperature gradients are evaluated with various fuel feeding ratios between the wall and the strut. Experimental results show, when the equivalence ratio is constant and the axial injection position is fixed, the combustion characteristics vary significantly with the strut/wall fuel feeding ratio, especially when this ratio is close to its lowest and highest limits. Among the four fuel feeding ratios examined, the strut only injection mode and the average distributed strut/wall injection mode show the best combustion performance. However, the strut/wall injection mode produces a smaller wall temperature gradient compared to the strut only injection mode, which is due to the significant film cooling effect caused by the wall injected liquid kerosene.     

月球探测器动力下降段最优轨迹参数化方法

为保证月球探测器进入姿态调整段时具有充分的高度与速度余量,本文提出一种基于控制变量参数化的月球探测器动力下降段最优轨迹求解方法。在三维探测器软着陆动力学模型基础上,将月球探测器软着陆制导律设计等效为燃料最优约束下的探测器俯仰角控制问题,利用控制变量参数化(Control Variables Parameterization, CVP)方法将该控制问题中的控制变量与约束条件转化为非线性规划问题求解,并引入时间尺度变换,将着陆时间序列加入待规划参数,进而求得满足精度的最优数值解。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的显式制导律相比,本文提出的参数化制导方法在动力下降段燃料更省,动力下降段的起始高度在±20%范围内波动时,仍能以高精度速度和高度指标完成末制导。     

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.