火箭助推器翼伞回收动力学仿真与试验分析

翼伞具有良好的滑翔性、操纵性和稳定性,能够解决火箭助推器落点散布大导致的安全性问题。为对翼伞回收系统和控制系统进行优化设计,以基于可控翼伞回收技术的火箭助推器–控制平台—翼伞多体飞行系统为研究对象,采用拉格朗日乘子法建立了三体组合10自由度多体动力学仿真模型,考虑了翼伞的表观质量特性和火箭助推器的气动力影响,对某次空投飞行试验进行了动力学过程仿真重建,通过仿真与试验的对比分析飞行机理和系统性能。分析结果表明,翼伞系统间存在多体相对运动,必须采用多体动力学模型进行研究;机动飞行时,火箭助推器与翼伞间的相对运动角度并不大,而且火箭助推器的大尺寸对相对偏航运动的影响也并不显著;航向跟踪误差主要来自操纵效率低,在小角度航向跟踪误差时,需提高操纵控制增益。研究成果可以为翼伞系统的工程设计与应用提供参考。     

考虑建模误差的某型火箭末级制导方法研究

运载火箭末级发动机点火后,在制导系统的导引下,火箭最终抵达入轨位置、取得入轨速度,卫星进入运行轨道。火箭末级飞行动力学模型为非线性微分方程形式,难以利用解析方法得到火箭姿态变化特性,进而控制火箭飞行过程中的状态变量。将火箭入轨约束条件转化为最优控制的性能指标函数,利用庞德里亚金极小值原理与牛顿梯度法相结合的方式来解决动力学方程求解问题,得到末级飞行标准轨道;火箭动力学建模过程中,由于参数难以精确计量等的影响,存在建模误差,导致火箭实际飞行轨道会偏离标准轨道。对模型进行线性化处理,引入状态反馈,可以使实际飞行轨道接近于标准轨道,提高卫星荷载入轨要求精度。仿真结果表明:该制导算法可较好地减小火箭载荷入轨误差。     

固液火箭发动机在远程空空导弹中的应用

为提高远程空空导弹性能,基于不死鸟导弹及其原有固体发动机的基本性能,开展了固液火箭发动机作为动力系统的远程空空导弹方案设计,通过固液火箭发动机的多次启动提高导弹飞行性能。采用多岛遗传算法,设计优化得到了替代不死鸟原固体火箭发动机的固液火箭发动机方案,对发动机总体进行参数化仿真,得到导弹模型,并对导弹进行了气动估算和飞行仿真与分析。结果表明:固液火箭发动机可以显著提升远程空空导弹的射程和速度特性,具有良好的发展前景。     

液体火箭发动机涡轮泵转子弯扭耦合振动研究

为获得转子振动特性,针对液体火箭发动机涡轮泵转子系统建立了其在密封流体激振作用下的弯扭耦合动力学模型。通过数值仿真和试验研究了涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的动力学特性,结果显示在密封流体激励作用下弯扭耦合振动的非线性特性显著。还研究了偏心距对涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的影响。本研究可为液体火箭发动机涡轮泵转子的结构设计、诊断与维护提供可靠信息。     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

火箭无线系统电磁兼容性研究

无线系统作为火箭的关键分系统,其电磁兼容性制约了火箭的可靠性。以某固体火箭为例,通过仿真分析研究了天线的电磁辐射特性、无线设备间的耦合程度以及装舱后系统整体的电场分布,分析结果预示系统可能存在电磁不兼容趋势。基于仿真结果,设计实施了单机电磁兼容性验证试验、桌面散态系统试验(不含火箭结构影响因素)和系统匹配试验(含火箭结构影响因素),分别从设备级、桌面散态(分系统)级和全系统级依次验证了无线系统的电磁兼容性,得到了该火箭无线系统满足电磁兼容的结论。通过仿真与试验的结合,形成了火箭无线系统电磁兼容性研究方法。结果表明,研究方法可行,且具有较高的工程应用价值,可为复杂系统的电磁兼容性设计与验证提供参考。     

索式火箭回收着陆系统缓冲装置设计与分析

针对索式火箭回收着陆系统中摩擦缓冲装置的缓冲能力和调节能力有限的问题,提出了一种基于最小二乘法和系统动力学特性的液压缓冲装置反问题设计方法。该方法通过对液压缓冲装置中控制阀凸轮外形和储能器初始压强的设计来调节着陆火箭运动学特性,使火箭按照特定的运动学特性在有限的缓冲位移内减速至静止稳定且缓冲加速度最小。对索式火箭回收着陆系统建立精准高效的多体动力学模型,并针对不同的工况进行仿真校验。仿真结果表明根据所提反问题设计方法设计的索式火箭回收着陆系统能够按照特定的运动学特性减速缓冲着陆火箭,具有较强的减速缓冲能力;针对不同质量和着陆位置偏差的着陆火箭,具有自动调整液压阻力保持火箭相同的运动学特性的能力。     

推进剂粘弹性对固体火箭飞行模态特性的影响

常规固体火箭振动模态特性分析中不考虑推进剂粘弹性的影响,实际上在飞行过程中推进剂的粘弹性会使固体火箭呈现复杂、变化的模态特性。飞行过程中,一旦结构的某阶模态与燃烧室声腔发生耦合振动,就有可能诱发燃烧不稳定,因此有必要掌握全箭实时模态参数。针对粘弹性推进剂使得火箭飞行过程实时模态参数难以预测的问题,提出了一种数值仿真模型修正方法,以空、满载固体火箭地面模态试验结果与仿真结果进行对比,证明了方法的准确性。对空、满载火箭模态参数进行对比还可以发现,当推进剂厚度随着燃烧逐渐变薄,全箭在弯曲振动中,发动机壳体的截面变形逐渐增大;发动机呼吸振动幅值也随之变大。在已知燃面退移量的前提下,可准确预示全箭在飞行过程中的实时模态参数,极大提升了固体火箭在飞行过程中的振动问题的分析及排查能力。     

收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真

文章用半经验充气时间法对用于某回收器降落伞系统的收口十字形降落伞的充气过程进行了动力学建模与仿真计算,通过参照第一次某回收器飞行试验遥测数据,调整经验参数的值,对动力学模型进行修正。用修正后的动力学模型对第二次回收器飞行试验进行了仿真计算,将仿真计算结果与第二次飞行试验遥测数据的开伞动载以及运动参数进行比较,比较结果具有较好的一致性,证明了动力学模型和仿真计算程序的正确性。     

基于反馈线性化和变结构控制的速度饱和伺服系统设计

在大姿态角飞行条件下火箭的伺服机构速度饱和非线性特性相当突出，对火箭姿态控制系统稳定性影响很大，利用小扰动理论对其分析起来比较困难。本文采用输入/输出线性化方法对伺服机构的速度饱和数学模型进行了精确线性化，并在此基础上对线性化系统进行了变结构控制设计，得到了具有鲁棒性的非线性伺服系统控制器。最后，通过数字仿真实例验证了所述方法的有效性。