高空系留气球建模与稳定性分析

平流层高空系留气球是典型的无控制欠阻尼自治系统,因此平台本身应当具有较好的稳定性,然而该系统的线性化模型含有零特征根,导致经典的Lyapunov第一方法难以从理论上获得其稳定性结论.从一般刚体的Newton-Euler方程出发,根据刚体对任一点的平动和转动方程,建立基于广义坐标的高空系留气球二阶非线性动力学模型,并针对Lyapunov方法证明稳定性的局限性,从能量的角度运用拉格朗日定理证明了高空系留气球的稳定性,数值仿真结果与理论结果一致.     

纵列式直升机配平计算及稳定性、操纵性分析

为了进行纵列式直升机定直平飞状态的配平计算,建立了两种非线性飞行动力学模型(涡流理论模型和动量理论模型).提出了基于线性小扰动理论和五点中心差分算法的稳定性、操纵性导数计算方法;采用状态空间表达式形式的动力学方程,计算了纵列式直升机非耦合运动状态下的稳定根;以动量理论模型为基础,以MATLAB软件为计算平台,进行了纵列式直升机稳定性与操纵性的分析.最终计算结果与参考数据吻合较好,为纵列式直升机飞行品质研究奠定了基础.     

基于航天器姿轨耦合模型的非线性前馈控制

对于航天器编队飞行和交会对接来说,精确的相对轨道和姿态模型尤其重要,而单独考虑相对轨道模型无法满足其高精度要求,因此从非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数(MRPs)表示的姿态运动学方程出发,建立了六自由度的相对动力学方程。在模型建立过程中考虑了耦合和非线性因素,保证了模型的精度。针对耦合非线性动力学方程设计了非线性前馈控制律,并通过李雅普诺夫直接法证明闭环系统的全局渐近稳定性。数值仿真算例验证了建立模型和控制律的有效性。     

某系留气球抗风性能仿真分析

系留气球以其显著特点已应用到许多领域,今后还会有大的发展。因所处环境的风力对飞行稳定性影响较大,故抗风能力成为系统重要指标。针对无法用实验手段进行验证的空中工作姿态,一般采取计算机仿真方法进行模拟研究。介绍了系留气球的设备组成,描述了空中飞行状态,通过建立动力学模型的数学方程式,施加1-consine型离散突风模型扰动,仿真了空中球体的俯仰角和滚转角随扰动时间的关系曲线,并对结果曲线进行分析研究,以期为同型系留气球的设计方法提供某种借鉴,为浮空器使用安全提供帮助。     

舰载直升机旋翼/机体耦合动力学稳定性

建立了舰载直升机和舰船运动耦合动力学模型,考虑了舰载直升机起落架非线性和非对称的特点,并将舰船振动自由度与旋翼/机体系统相结合分析了直升机系统耦合动力学稳定性.舰载直升机采用无轴承旋翼,用中等变形梁理论建立桨叶、柔性梁和扭矩套的有限元模型,考虑桨叶多路传力特点和桨叶根部的摆振销与变距拉杆的约束.起落架包括液压作动器和橡胶轮胎,起落架系统具有非线性特点,在不同载荷下其刚度和阻尼都不同.采用所建立的动力学模型分析了舰载直升机的"舰面共振"动力学特性,首先通过算例中的无轴承旋翼直升机"地面共振"频率与阻尼曲线验证了旋翼机体耦合模型的正确性.其次发现舰船在横摇振动情况下,旋翼/机体耦合系统的旋翼不稳定转速区域会提前出现,如果鱼叉系留则会推迟不稳定转速,并且增加系统的阻尼.     

导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性分析

弹性飞行器可能由于结构、气动及控制的不利耦合引发气动伺服弹性失稳,为此分析了带有差动舵面及控制系统的细长体导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性.导弹的广义非定常气动力采用气动导数方法计算,动力学方程考虑了弹体的刚体滚转运动和一阶弹性扭转振动.由导弹动力学方程求解得到滚转通道的开环传递函数,并应用Nyquist方法进行闭环系统稳定性分析.算例表明,若控制系统设计不当,系统有可能在弹性振动频率处发生气动伺服弹性失稳.      

系缆气球的气动力估算和配平计算

从飞行力学分析的角度,用传统的气动力估算方式对具有倒"Y"型尾翼的系缆气球的气动力特性进行估算.考虑气球与系缆的综合系统,建立系缆气球平衡方程并进行配平计算.在不同的风速条件下,采用牛顿下降梯度法迭代求解非线性代数方程组形式的系缆气球平衡方程.通过不同风速及不同系缆位置的平衡状态的对比分析,确认系缆的最佳悬挂位置.      

综合热力学模型的平流层飞艇上升轨迹优化

针对平流层飞艇的上升轨迹优化问题,综合热力学模型进行了研究.主要分析了飞艇基本热力学行为,研究了蒙皮及内部气体的能量方程并建立了详细的飞艇动力学和运动学模型.在热力学、动力学和运动学分析的基础上,建立了以飞行时间为优化目标的平流层飞艇的轨迹优化模型.利用直接配点法将轨迹优化问题转化为非线性优化问题,再通过非线性求解器SNOPT(Sparse Nonlinear Optimizer)对不同场景的问题进行最优化轨迹求解.优化结果表明:热力学效应对优化轨迹有较大影响,在上升过程中,太阳能辐射为主要影响因素,另外风场也对换热量有一定影响.     

基于摄动模型的挠性航天器姿态控制系统设计

为了完成挠性航天器高精度姿态控制任务,首先采用摄动法分析了挠性航天器动力学方程,得到相应的0阶和1阶动力学系统.针对0阶非线性时不变系统,同时考虑到转动惯量不确定性和干扰,对已有的非线性直接自适应控制律进行改进,设计PI(Propor-tional-Integral)型参数自适应律,以提高姿态控制精度,同时给出了稳定性证明.针对1阶系统设计PI控制器及PPF(Positive Position Feedback)控制器,以有效抑制挠性结构振动.仿真结果表明,在采用摄动法对动力学方程分析的基础上设计姿态控制系统,可以有效完成挠性航天器高精度姿态控制任务.     

双系缆气球绳网系统的建模、配平及稳定性

为研究一种双系缆气球绳网系统的气球、绳网的设计问题和系统抗风能力的评估问题,建立了考虑风影响的双系缆气球绳网系统的数学模型,其中包括在体轴系下建立的气球的数学模型、根据无限细化理论建立的系缆的数学模型和按照一定的简化假设建立的绳网的数学模型;在配平状态下引入小扰动假设,使非线性方程组线化,并分析了该系统对阶跃风扰动的响应和稳定性.仿真计算结果表明该系统的设计合理并具有一定的抗风能力.      

Analytical study on the inflated shape of a super pressure balloon covered with a diamond-shaped net

In the last two decades, extensive efforts have been made to develop a large super pressure balloon (SPB) capable of carrying heavy payloads for scientific observations of long durations. Due to recent achievements by the NASA Balloon Program Office, practical operations of large-scale lobed-pumpkin SPB will be realized in the near future. Meanwhile, the research team initiated the development of a lightweight SPB with an alternative design concept, in which the entire balloon is covered by a diamond-shaped net. In this work, the static structural response of the proposed SPB is analyzed by establishing a mathematical model to predict its inflated shape. This model is validated by comparing the generated results with those obtained from nonlinear finite element analysis. Excellent agreement between the analytical solutions and the corresponding finite element results was obtained. On the basis of the mathematical model, the inflated shape of the SPB is investigated and unique structural characteristics are deduced, i.e., the balloon inflates into a cylinder-like shape for a certain geometry of the cover net. This structural feature can be explained by considering the equilibrium of forces applied to the cover net.     

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

随机振动条件火箭贮箱增压系统工作过程仿真

为研究随机振动对贮箱增压系统动态特性和稳定性的影响,引入管路元件壳体坐标实现外激振动的加载,以谐波叠加法模拟飞行环境的随机振动过程,对管路和管路元件分别建立拉格朗日坐标下的一维流动方程和常微分方程组以模拟增压系统动态工作过程,对某贮箱增压系统有/无外界激励振动条件下的工作过程进行了全程计算.计算结果表明:振动环境下减压器、稳压器等运动元件的瞬时流量变化在增压系统中产生压力波动,某些情况下,会导致减压器等出现具有一个主要频率的振荡过程,影响减压器工作稳定性;振动过程中贮箱气枕压力基本不受影响.无振动条件下的计算结果与试验数据基本吻合.提出的模型和方法在贮箱增压系统工作过程仿真中显示了较好的有效性.     

Spin deployment of Hub-Spoke tethered satellite formation with sliding mode tether tension control

This work develops a tension control strategy for deploying an underactuated spin-stable tethered satellite formation in the hub-spoke configuration. First, the Lagrange equation is used to model the spin-deployment dynamics of the tethered satellite formation. The central spacecraft is modeled as a rigid body, and the tethered subsatellites are simplified as lumped masses. Second, a pure tension controller has been proposed to suppress the tether libration motion in the deployment without thrusting at the subsatellites. A nonlinear sliding mode control is introduced in the tension controller for the underactuated system to suppress the periodic gravitational perturbations caused by the spinning hub-spoke tethered satellite formation. The unknown upper bounds of the perturbations are estimated by adaptive control law. The bounded stability of the closed-loop tension controller has been proved by the Lyapunov theory. Finally, numerical simulations validate the effectiveness and robustness of the proposed controller, i.e., tethers are fully deployed stably to the desired hub-spoke configuration.     

进化策略在火箭发动机静态特性研究中的应用

建立了全流量补燃循环发动机的静态特性的数学模型.描述静态特性的数学模型是由一组非线性方程组成的.采用基于进化策略的进化算法求解全流量补燃循环发动机的静态特性方程,将该模型的非线性方程组求解问题转化为求带有约束的极小值的优化问题,建立了进化策略计算模型.讨论了进化策略算法在进化计算过程中使用的变异算子、重组算子和选择算子的设计,以及对约束条件的处理方法.数值计算的结果表明,利用基于进化策略的算法可以在较大范围内进行全流量循环液体火箭发动机的静态特性研究.