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。     

单通道控制的旋转弹锥形运动稳定性研究

锥形运动是旋转弹角运动的基本形式,其稳定性问题一直是旋转弹领域的研究热点。以一对鸭舵作用下的单通道控制旋转弹为研究对象,给出了弹体坐标系下的线性化角运动模型,通过数值仿真,揭示了一对鸭舵带来的气动不对称对其角运动特性的影响规律。利用劳斯判据,给出了解析形式的锥形运动稳定条件,该条件可等效为锥形运动稳定条件下的转速范围,不同转速下的仿真结果证明了该稳定条件的正确性。在相同的转速条件下,正弦式鸭舵的控制频率在慢模态衰减频率附近时,可诱发强烈的共振不稳定。研究结果可为一对鸭舵作用下的旋转弹总体设计及制导控制系统设计提供参考。     

旋转固体火箭变质量运动特性分析

借助于变质量陀螺方程,分析在主动段发动机尾喷口直径的变化对旋转固体火箭自旋速度的影响,得出对于双推力发动机在助推段向巡航段过渡时,由于发动机质量流量的改变,会使静稳定旋转固体火箭自旋速度以及弹体升力系数发生改变,导致弹道波动,进而得出为使旋转固体火箭自旋速度和弹道稳定,发动机尾喷口直径应与燃烧室内径相等的结论。利用Bendixson-Dulac定理,从微分方程理论给出了主动段飞行的旋转固体火箭,要么不发生锥形运动,要么仅发生一种稳定的锥形运动的理论证明,并得出气动阻尼不利于弹体姿态的结论。最后推导出旋转固体火箭变质量特性对弹体的章动阻尼作用的解析公式。     

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。     

基于变质心控制导弹的运动分析

导弹变质心机动控制通过改变弹头的质心,利用气动配平力矩改变弹头飞行姿态和攻角,从而实现导弹机动控制.本文首次详细推导了基于变质心控制导弹的空间六自由度的动力学方程,并建立了一套完整的仿真系统,针对导弹在垂直平面内运动情况进行仿真,为深入探讨变质心控制弹头的控制机理奠定基础.     

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。     

随动推力作用下柔性旋转飞行器稳定性分析

针对柔性旋转飞行器动力学问题,考虑了飞行器转速的作用,建立了计入陀螺力矩及随动推力影响的运动方程并分析了系统的动力稳定性问题。将柔性旋转飞行器简化为带有附加质量的非均匀转子结构,考虑陀螺力矩及随动推力的影响,采用剪切变形对轴向位移有影响的Timoshenko梁模型,基于有限元方法建立了运动方程,分析转速、剪切刚度及附加质量等因素对系统稳定性的影响,发现了转速作用下旋转飞行器刚体和弹性体模态耦合的新现象。结果表明：剪切刚度较小时,剪切变形对临界推力有较大影响;附加质量的大小及位置对临界推力和不稳定域有重要的影响;转速一般会诱发非均匀转子系统的弯曲模态与刚体模态合并为一个耦合模态,致使系统产生动态失稳。     

旋转导弹广义马格努斯动力学建模

针对传统基于理论计算、工程估算及大量飞行试验迭代辨识建立的动力学模型无法实现旋转导弹交叉耦合效应定量表征的问题,基于非定常CFD计算结果并结合傅里叶系数展开法,对广义Magnus效应建模进行了研究。基于参数辨识理论,用一周等效法建立旋转导弹的交叉耦合力和力矩的周期描述;基于频谱分析方法,将非定常计算的实时计算结果用傅里叶级数法叠加至Magnus力与力矩的周期描述中,形成沿时间轴展开的结果;将建立的力和力矩描述代入六自由度刚体运动学和动力学模型,构建完整的交叉耦合动力学模型。仿真计算发现:广义Magnus力会提高导弹的稳定性;广义Magnus力矩会降低导弹的稳定性甚至导致螺旋的锥形运动,当该力矩达到导弹主力矩7%时导弹处于临界稳定。该结论可用于驾驶仪设计以避免导弹出现锥形失稳,在工程中有重要指导意义。     

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。     

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。     

基于滑移网格技术的翼伞动导数分析

翼伞在航天回收领域有着广泛的应用前景,为了提高对翼伞动稳定性认识,文章针对某型号的翼伞进行动导数的分析。基于滑移网格技术,采用计算流体学的方法对翼伞进行了三维数值模拟。重点分析了翼伞做小幅度俯仰、偏航和滚转运动时的动导数,通过改变攻角和减缩频率这两项重要参数,获取了多组力矩系数迟滞曲线,利用时间平均法对非定常气动力数据进行处理,得到了翼伞绕三个坐标轴的阻尼系数。计算结果表明:翼伞在小攻角下做小幅度强迫运动时,在俯仰和滚转方向上阻尼导数为负,翼伞具有俯仰和偏航方向上的动稳定性,在偏航方向阻尼导数为正,翼伞不具有偏航方向的动稳定性;攻角和减缩频率的选取均会影响翼伞阻尼导数的计算结果,其中,攻角的增加不仅能影响迟滞环面积的大小还能影响迟滞环的动态特性,使翼伞的动稳定性发生变化,而减缩频率的改变仅影响迟滞环面积的大小,对偏航方向的动稳定性没有影响。     

弹道式飞行器再入攻角引起的落点误差分析

由于干扰因素的影响,飞行器再入时会产生±5°的初始攻角,这种攻角产生的升力不仅随攻角的收敛而变小,而且随飞行器的自旋而改变方向,从而使飞行器沿螺旋状弹道再入,最终造成落点误差,文中将转子动力学理论用于旋转飞行器的再入运动分析,通过对进动角与升力的耦合计算,得出了飞行器的平均落点误差,并以算例进行了验证,最后,给出了若干重要结论。     

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。     

基于未知地标被动观测的飞航导弹SINS俯仰姿态误差估计方法

针对飞航导弹单独使用时SINS存在姿态估计精度随时间降低的问题,提出了基于未知地标被动观测的SINS俯仰姿态误差估计方法。首先,根据飞航导弹中制导段飞行的特点,把SINS俯仰姿态误差估计问题转化为攻角估计问题。然后,在不改变导弹巡航路径的前提下,利用弹上成像导引头对视场内任意未知地标连续被动观测,分别提出了弹体坐标系和速度坐标系下的攻角估计方法,并分析了观测噪声对量测方程系数的影响。最后,利用平均去噪的思想对估计结果进行处理,提高了SINS俯仰姿态误差的估计精度。仿真结果表明：两种方法都能有效估计出飞航导弹SINS俯仰姿态量测误差。     

大气层外自旋拦截器末制导控制研究

对大气层外自旋拦截器的末制导控制进行了研究。考虑变质量后质心位置变化产生的扰动力矩对拦截器姿态的干扰,以及弹体自旋运动对直接力分量的影响,建立了拦截器运动模型和相对运动方程。基于现有的脉冲发动机,根据理论所需冲量确定脉冲发动机数和相应的最佳布局,以及等效控制力大小与方向。用衰减记忆滤波算法提取高精度视线转率,选用比例导引律,相对距离变化率采用近似计算,设定视线转率门限避免发动机点火过于频繁。设计了包括脉冲发动机点火策略的算法,可在满足脱靶量要求前提下最大限度减少脉冲发动机消耗和对导弹姿态角的影响。仿真结果表明:该法能有效实现大气层外自旋拦截器在末制导段的精确制导控制。     

红外旋转弹导引头捷联惯导系统的姿态算法研究

对红外旋转弹导引头捷联惯导系统的算法进行了研究。分析了姿态更新的等效旋转矢量法及锥运动环境中的优化算法,理论推导了合理引入角位置传感器数据进行弹体姿态解算的方法,基于捷联惯导导引头坐标转换关系,通过欧拉角坐标转换和四元数坐标转换将导引头光轴系中的框架角速度转换至半弹体系中,由半弹体角速度解算出当前导引头的姿态和位置。试验结果验证证明了方法的正确性,解决了交班时扫描搜索阶段的弹体姿态求解问题,保证了对导弹姿态的有效控制。     

低成本高超声速试验火箭姿态控制方法

针对我国低成本高超声速试验火箭的需求,提出一种基于简易反作用控制系统(RCS)的进动和章动同步控制方法,实现高空旋转火箭的大范围姿态调整和再入姿态控制。该方法采用单喷管且喷气冲量固定的RCS执行机构,通过对旋转火箭在RCS间歇作用下动力学演进过程分析,建立了体现进动、章动耦合效应的状态空间模型和系统稳定条件,设计了开关控制策略。利用姿态角和角速率构建反馈信号控制RCS喷管开启,使姿态角满足要求。理论仿真表明:在RCS喷气冲量矩相对误差为26.7%,自旋角速度变化范围为2.0~4.0 r/s的条件下,仍然可以实现大范围俯仰角调整(+10°~-60°)。该方法可以应用于我国低成本高超声速试验火箭,推动高超声速研究性飞行试验广泛开展。     

布哈什卡拉(Bhaskara)卫星采用磁偏置控制

轨道退行(orbit regression)会使卫星自旋轴偏离轨道法线。扰动力矩,例如气动力矩,重力梯度力矩,太阳辐射压力力矩和磁力矩,也能引起自旋轴的漂移。印度地球观测实验卫星Bhaskara是近地圆轨道自旋稳定卫星,其自旋轴沿轨道法线定向,采用冷气推进系统来控制其自旋轴的定向和自旋速率。对于该卫星而言,每一自旋周期内重力梯度力矩平均为零。气动力矩是个以轨道频率旋转的矢量,故净漂移很小,在设计阶     

超大柔性空间结构姿态振动耦合稳定性分析

针对太阳帆塔等细长结构的空间太阳能电站构型,以圆轨道内平面运动的空间柔性梁为研究对象,在质心浮动坐标系下,基于Hamilton原理建立了姿态运动与弯曲振动的耦合动力学模型。引入简谐形式的姿态运动假设,并验证了假设的合理性。基于此假设,分析了姿态运动与重力梯度对弯曲振动的第一阶频率的影响,重力梯度项的影响为简谐波动形式,而姿态运动使得弯曲振动频率降低,两者作用均随初始姿态角增大而增强。同时,推导了Mathieu方程形式的模态振动方程,并利用小参数摄动分析方法,得到了不同初始姿态角下的弯曲振动的稳定图,发现当初始姿态角越大时不稳定区域就越大。