旋转导弹非线性动力学建模方法研究

为解决传统线性建模方法不能准确描述旋转导弹不稳定运动形态的问题,对一种旋转导弹非线性动力学建模方法进行了研究。基于空气动力学作用原理,在全攻角坐标系中建立旋转导弹的六分量气动力的描述。考虑导弹弹体运动描述的直观性,在准弹体坐标系中进行动力学建模,采用偏微分形式对气动力和气动力矩进行表述,通过等效代换获得完整的导弹非线性动力学模型。建模中考虑了静稳定力矩和马格努斯力矩对攻角的气动非线性作用,以及洗流迟滞等气动非定常效应的影响;增加了非线性阻尼的作用和舵偏角速度引起的洗流项;考虑了转速效应的影响,增加了转速对面内力矩和面外力矩的作用项。数值仿真结果表明:根据参数不同,该模型可描述攻角运动收敛、分叉和极限环等运动形态。研究为旋转导弹运动分析提供了数学模型基础。     

基于陀螺力学的旋转导弹锥形运动分析

针对旋转导弹飞行中弹体的锥形运动,利用陀螺动力学中的双自由度陀螺线性扰动方程建立数学模型,分别分析了纵向静稳定力矩和侧向力矩对旋转导弹锥形运动的作用机理;利用布尔加可夫相空间方程组,分析线性气动阻尼对旋转导弹的锥形运动的影响。结果表明, 旋转导弹锥形运动的幅度随弹体气动静稳定性而增加,故气动参数m αz的选择应以导弹质心最靠后时仍能保持弹体纵向中立静稳定为标准, 而且线性气动阻尼对旋转导弹的锥形运动的稳定是不利的,并最后导致旋转导弹锥形运动的发散。     

喷气阻尼效应作用下旋转导弹锥形运动分析

研究了喷气阻尼和推力偏斜对旋转导弹锥形运动的影响。建立了考虑变质量特性和喷流影响的旋转导弹姿态动力学模型。将旋转弹姿态动力学方程分为自旋运动和锥形运动两组,用复攻角简化锥形运动的微分方程,分析了自旋转速和锥形运动,推导出准攻角和准侧滑角的解析解,讨论了陀螺力矩、气动力矩、喷气阻尼力矩和推力偏斜对锥形运动的影响,获得了锥形运动稳定的条件。仿真结果验证了理论分析的正确性。研究表明:喷气阻尼效应增大了锥形运动的阻尼,利于锥形运动的稳定,但对锥形运动的频率无影响;推力偏斜使锥形运动中增加了与自旋同频的受迫振动,为限制受迫振动的幅度应使自旋转速避开慢圆运动和快圆运动的频率,并增大锥形运动的阻尼。研究对旋转弹的喷气阻尼力矩影响分析和总体设计有较大的参考价值。     

超低轨卫星气动参数及转动惯量在轨实时辨识

给出了超低轨卫星气动参数和转动惯量的在轨实时辨识方法。针对超低轨卫星所处的稀薄流环境,建立了镜面-漫反射模型稀薄流散射系数的傅里叶级数模型。根据卫星姿态动力学与运动学方程推导了傅里叶级数模型中各气动参数以及卫星转动惯量的线性观测模型。以采用气动主动控制方式的近地圆轨道纳星为仿真对象,用递推最小二乘法进行在轨实时辨识,辨识结果与设定值一致。方法对卫星在轨实时控制时需获取高精度的气动力矩和卫星真实转动惯量有重要的意义。     

轨控喷流干扰气动-运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学(CFD)/刚体动力学(RBD)耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数(马赫数,攻角等)变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

液体火箭发动机氢燃料涡轮三维非定常流场数值研究

结合实际工程项目,对液体火箭发动机两级轴流氢燃料涡轮进行了三维非定常数值模拟。以动静叶排干涉、非定常叶片力和力矩为目标,对涡轮内部非定常流场进行了深入的研究分析,计算了涡轮性能曲线并与试验结果进行了对比。结果表明:所采用的计算方法可以很好地模拟涡轮内部的非定常流动现象,涡轮一级动叶叶片力和力矩的波动幅值分别达15.78%和17.31%。就涡轮效率而言,非定常与定常结果存在一定的差别,在偏离设计点工况,非定常结果比定常结果更加符合实际情况。     

鸭式布局旋转导弹气动特性研究

对鸭式布局旋转导弹气动特性研究进行了综述。介绍了旋转气动特性、鸭式布局气动特性,以及鸭式布局旋转气动特性的研究成果。鸭式布局旋转导弹的流场中包含丰富的涡系结构,其气动特性存在典型的非线性、非定常特点。数值计算和风洞试验表明,纵向气动特性随转速变化不大,用准定常理论可解决旋转弹纵向气动力计算问题;导弹的马格努斯效应随攻角变化呈现非线性变化趋势。定常和非定常数值计算研究表明,鸭式布局前升力面产生的非定常自由涡是影响导弹气动性能的关键。     

旋转导弹Gurney襟翼尾翼气动特性研究

对某旋转导弹加装Gurney襟翼的尾翼气动特性进行了研究。基于该导弹气动外形,将产生滚转力矩的斜置尾翼改为加装Gurney襟翼的平置尾翼。建立了计算模型,不同外形、马赫数和攻角条件下的数值计算表明:增加Gurney襟翼的尾翼增加了导弹的滚转力矩,同时也增大了阻力,降低了升阻比。合理选择Gurney襟翼的偏折展弦长和偏折角度,可在保证升阻比和全弹压心变化不大的条件下,改善导弹亚跨段转速特性。风洞试验结果验证了数值计算结果的正确性。     

单通道控制旋转弹系统动力学建模与Hopf分岔

为准确预测旋转弹系统的锥形运动形态并判断其稳定性，提出一对鸭舵引起的气动不对称性以及可能引起复杂非线性动力学特性的非线性因素，建立能准确描述单通道控制旋转弹系统姿态运动的复数形式的动力学模型并分析讨论其动态稳定性条件。利用分岔理论对单通道控制旋转弹系统开展Hopf分岔研究，给出了Hopf分岔发生的判断准则；推导了用于判定极限环稳定的第一Lyapunov系数。数值仿真结果验证了条件的正确性与有效性并发现了拟周期运动及混沌运动。研究结果为旋转弹的控制参数设计及结构参数设计提供理论参考。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

具有脉冲姿控发动机的自旋导弹动态分析与控制设计

对脉冲姿控发动机阵列和自旋导弹进行建模,在导弹动力学模型中通过定义为矢量形式的力和力矩放大因子来描述喷流干扰效应,指出了这种定义的优点。在只考虑稳定气动力矩的情况下对低速自旋导弹进行了简单的动态分析,通过定义进动坐标系直观地表示了导弹的陀螺运动。动态分析的结论导致了导弹动力学方程的简化并应用到控制策略的设计中,最后设计了控制策略和点火逻辑。给出了采用不同喷流干扰效应数据情况下分别应用枚举算法和快速算法的点火逻辑的仿真结果,其验证了控制算法和快速点火逻辑的有效性,并显示出喷流干扰效应中的主向力矩因子的影响是主要的。     

滚转偏转头导弹动态特性分析

基于复角模型,研究了弹头偏转对于偏转头导弹飞行稳定性和操纵性的影响。依据偏转头导弹的多体特点,建立了包含弹头和弹体动力学特征的滚转偏转头导弹多体动力学模型,通过模型简化,得出了其复角模型。以弹头偏角作为输入,攻角和侧滑角作为输出,得出了滚转偏转头导弹的传递函数。分析传递函数发现,弹头偏转主要影响了导弹传递函数的零点,文中给出了满足系统最小相位的条件公式;当弹体绕纵轴逆时针旋转时（由弹尾向前看）,导弹模型总为最小相位系统;定性分析了气动参数对于导弹运动稳定性的影响,得出弹头偏转运动对于飞行稳定性没有直接影响的结论;动力学仿真表明,弹头与弹体相互作用,导致两者产生相反的角运动。本研究表明,通过合理的选择气动和结构参数,并使导弹飞行过程中绕纵轴逆时针旋转,可以保证偏转头滚转导弹飞行过程中的运动稳定性,并有利于自动驾驶仪的设计。     

某型导弹控制系统的鲁棒稳定性分析

研究了导弹控制系统的鲁棒稳定性。首先建立了导弹的广义状态空间模型， 针对这类难以转化为标准一阶状态空间模型或转化后少数不确定参数将以复杂的非线性函数方式扰动整个参数矩阵系统的特点， 建立了由广义模型描述不确定系统的鲁棒稳定性判据， 将其化为线性矩阵不等式（ Ｌ Ｍ Ｉ） 的形式， 从而用凸优化算法来判定。最后将所得到的结果应用于某型导弹控制系统的鲁棒稳定性分析。结果表明在所设计的控制律下， 在攻击过程中为鲁棒稳定。     

基于Volterra级数的非线性非定常气动力降阶模型

发展了一种基于Volterra级数的非线性非定常气动力降阶模型。着重探讨了基于CFD／CSD耦合计算的Volterra核辨识方法。CFD／CSD耦合计算采用了一种简单的动网格快速生成方法，气动网格与结构网格节点间的物理信息交换采用一种改进的CVT方法。通过与CFD／CSD直接计算的结果对比，表明非定常气动力Volterra级数模型是一种效率高、精度好、能描述非线性、便于使用的降阶模型，特别适用于预测结构做非定常运动下的非定常气动力。     

基于触力感知的空间非合作目标惯量参数辨识方法研究

因空间机械臂系统内部存在较强的动力学与运动学耦合关系,为防止捕获操作对系统的姿态和轨迹产生影响,需对捕获的空间非合作目标的惯量参数进行精确辨识,针对传统的辨识研究仅考虑辨识的基本原理,忽略了实际辨识过程中存在的辨识误差等重要问题,提出了一种新颖的基于触力信息的空间非合作目标惯量参数完整辨识方法。先对辨识过程中存在的各种误差及其对辨识结果影响进行了理论推导,在此基础上提出了一种包含末端触力信息及末端执行器力、力矩信息的改进辨识方程,削弱辨识过程中误差的累积效应及其对辨识结果的影响。此外,考虑量测误差中包含复杂的噪声信息,提出了递推最小二乘法-仿射投影符号算法(RLS-APSA)混合算法,并基于此算法解算辨识方程,以确保辨识结果的稳定性。为验证所提辨识方法的有效性,构造了多自由度空间机械臂系统模型,用Adams-Matlab联合仿真平台进行相应的仿真实验,实验结果证实了所提辨识方法的有效性。     

复杂运动下弹载雷达杂波建模方法

旋转是制导导弹为消除推力偏心、增强弹体飞行稳定性、提高打击精度所采用的一种重要手段。在导弹旋转飞行过程中,会产生马格努斯效应和陀螺效应,使旋转导弹具有特殊的动力学特性,这种特性表现为弹体除了绕自身的对称轴旋转外,还会产生进动与章动,弹体的复杂运动使杂波特性发生变化。本文提出一种对弹体的自旋、进动和章动进行精确建模的方法。仿真结果表明:与理想的正侧视模型相比,该方法能更加准确刻画导弹的运动特性,对弹载平台下的杂波进行更精确化的建模。     

双太阳翼GEO卫星在轨角动量管控方法

地球同步轨道(GEO)卫星在轨的主要环境干扰力矩为太阳光压力矩和重力梯度力矩,干扰力矩的累积效应表现为飞轮转速的变化,需要通过外力矩进行角动量卸载避免飞轮饱和。由于GEO磁场极弱,卫星无法使用磁力矩卸载,只能通过喷气卸载,而喷气将对卫星轨道产生影响,因此需要尽可能延长卸载周期。针对配置双对称太阳电池阵GEO卫星的角动量管控需求,首先建立卫星在惯性空间中角动量积累模型,并映射到卫星本体系中,得到本体系中的角动量变化规律。通过飞轮在轨转速遥测数据,精确辨识获取环境干扰力矩特征参数,获得真实可靠的干扰模型。以角动量卸载周期最长为原则,基于在轨环境干扰模型制定角动量管控策略,并准确预估下次角动量卸载时间。经在轨数据处理与分析表明:提出的角动量管控策略,可有效将飞轮的角动量卸载周期提升为原来的2倍,有效提升卫星在轨应用效能,具有实际工程意义。     

基于数值实验的航行体流体动力参数研究

基于数值实验对用于航行体轨迹预报的航行体附加质量、位置导数及旋转导数等重要流体动力参数进行了研究。提出了基于物体摇荡运动的附加质量确定方法,根据傅里叶分析,给出了物体受到的附加质量力的分离方法和附加质量的计算方法;水动力数据是用CFD软件模拟物体周期摇荡运动的流场而得。基于上述方法,提出了基于运动状态突变流场模拟的附加质量和旋转导数计算方法。用两种方法分别计算了圆球和椭球的附加质量,两种方法的计算结果与势流理论结果一致。对细长水下航行体的旋转导数进行了计算,结果发现:头、尾附近的两个连接面对升力、力矩变化的贡献最大;两连接面及附近两单元面对应的升力旋转导数为负值;中间其他各面对应的升力旋转导数为正值。对细长圆柱体,改变头尾部形状可引起旋转导数的较大改变。用所提方法不仅可得到细长航行体包括附加质量和旋转导数的多种流体动力参数,而且能获得流体动力参数的空间分布特征。相较而言,基于运动状态突变流场模拟的流体动力参数计算方法更为简便,且更便于分析流体动力的分布特性。     

UKF位姿估计的超静平台耦合模型参数辨识

针对载荷无陀螺时辨识超静平台耦合动力学参数存在位姿确定问题,设计了一种基于Schur分解以及无迹卡尔曼滤波(UKF)的位姿确定及参数辨识方法。首先,建立加速度计和姿态敏感器组成的测量系统状态模型和观测模型,并给出测量系统的可观性分析。然后,给出基于UKF的载荷位姿确定方法;在UKF中引入姿态修正信息,从而提高载荷角速度估计精度,实现载荷广义位移、广义速度、广义加速度的准确估计。通过Schur分解实现超静平台动力学模型解耦及辨识模型中动力学参数显式表达。以滤波器估计载荷位姿信息为依据,采用最小二乘法辨识动力学参数。仿真结果表明UKF能够准确估计载荷角速度以及超静平台支杆刚度系数,辨识误差优于百分之一。     

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型.通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解.将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和...