垂直回收火箭可伸缩着陆腿展开的动力学仿真分析

可伸缩着陆腿是实现运载火箭垂直回收的有效途径。相比于着陆过程，火箭着陆腿展开过程涉及的动力学问题更值得特别关注。根据多体动力学方法建立可伸缩着陆腿的虚拟样机模型，针对展开过程开展仿真分析，研究了支腿结构柔性、腿节滑移摩擦力、气动罩气动力及过载等因素对展开时长和展开到位角速度两个关键展开特性指标的影响。结果表明，结构柔性对展开特性影响可忽略，过载对展开特性的影响最大，其次是气动罩气动力和腿节摩擦力。相关研究结果可为用于火箭垂直回收的可伸缩式着陆腿设计提供参考。     

月球着陆器最终下降段的制导与控制方法研究

对月球着陆器从约100m到30m之间高度的最终下降段的制导与控制方法进行了研究。提出了一种保证推力有界的简单制导方案,并从理论上严格证明了制导与姿态控制系统的几乎全局渐近稳定的性质。本文的创新之处在于：设计了嵌套饱和函数形式的特殊制导律,该制导律不仅满足主推力有界和可以防止姿态控制中的奇异问题,而且具有形式更为简单和调节着陆器的最大允许偏斜角等优点;得益于制导律的嵌套饱和函数形式,证明了目标角速度的全局有界性质,从而可以获得姿态子系统相对于制导子系统的分离性质。     

合成射流激励器实验及结果分析

设计了合成射流激励器及实验测试系统。对两大小不同激励器工作于不同驱动频率及激励电源电压幅值分别进行了实验，并对激励器出口速度进行了分析。实验测得的合成射流出口最大峰值速度可达5m／s，驱动频率对激励器出口射流速度影响直接明显，且合成射流激励器有工作频谱范围限制。通过频谱分析显示，只有最大峰值频率与激励频率相等或接近，而且各峰值频率与最大峰值频率成倍频关系时，合成射流激励器将电能转化为合成射流动能的效率才能达到较高。     

旋转条件下固体火箭发动机三维内流场数值模拟

基于颗粒轨道模型,通过运动方程加入过载加速度的方式建立了旋转条件下固体火箭发动机内三维两相流的数值模型,并利用该模型研究了不同的旋转加速度对固体火箭发动机中粒子运动轨迹以及聚集浓度的影响。结果表明,随着发动机旋转速度的增大,粒子的聚集带逐渐向壁面附近扩散,在发动机的轴向附近形成一个无粒子区域,旋转速度越大,无粒子区域越大;当旋转速度增加到一定值,粒子的聚集带向外扩散至壁面上,在前封头附近的壁面上形成一条与发动机母线成一定夹角的高浓度聚集带。     

弹道导弹中段机动突防发动机总体优化设计

针对弹道导弹中段机动突防,提出了一种突防方案的发动机总体参数优化设计。从中段机动突防运动学、动力学出发,基于战术需求明确突防发动机优化设计指标,采用进化算法进行了发动机总体参数优化,并给出了仿真算例。研究表明,速度增量大小和机动时刻给定时,零控脱靶量随速度增量方向的不同存在极小值和极大值,极大值方向近似垂直于视线方向,且最大值近似为待飞时间和速度增量大小的乘积,发动机设计总冲指标即在此理论推导上获取;进化算法有效地解决了8个设计变量、3个约束条件的突防发动机参数优化问题,优化结果合理,且实现了战术要求的脱靶量,很好地满足了弹道导弹中段机动突防对动力系统的要求。     

攻防对抗机动过载关系分析

针对攻防对抗中具有高机动性的突防弹进行机动躲闪,基于线性二次型微分对策理论,建立了攻防对抗线性化运动模型,分析了拦截弹在完全理想情况下实施有效拦截所需具备的最小过载能力与被拦截目标机动过载能力之间的关系,定量地给出了实现零脱靶拦截的对抗过载比应满足条件的解析形式。在考虑拦截弹在初始时刻零控脱靶量为零的条件下,给出了拦截区域和突防区域与对抗过载比、动力学响应时间常数比等参数的关系。通过建立双方过载对抗关系的理论,得到理论分析结果,通过减小双方初始距离或增大相对运动速度可以降低实现有效拦截对过载比的要求。     

降低亚轨道飞行器再入法向过载峰值的攻角设计方法

针对亚轨道飞行器再入中的大过载问题,提出一种通过保持法向过载动态平衡以大幅降低法向过载峰值的攻角设计方法。该方法基于再入飞行中过载演化特性,通过自主分段、预测反馈及迭代修正对再入攻角进行设计,使攻角变化率与法向过载的期望平衡值相适应,并可经过重复计算及收敛实现法向过载峰值最小化。仿真计算的结果表明,该方法能够大幅降低亚轨道飞行器再入中的法向过载,且按照该方法设计所获攻角策略可有效用于亚轨道飞行器再入任务规划、再入轨迹和制导律设计。
     

导弹垂直发射转弯规律优化设计

防空导弹垂直发射转弯控制是一非线性最优控制问题。在优化设计垂直发射转弯规律时,粒子群算法存在易早熟而陷入停滞问题,而变尺度法对俯仰角规律初值敏感容易发散,且计算量大。利用粒子群算法无需手动设定初始值、速度快的特点,将其优化结果作为后者的初始值,然后利用变尺度法较强的局部搜索能力逼近最优解。采用这2种算法简单串联的方法优化得出的垂直发射转弯控制规律,经仿真验证可满足速度、攻角、过载等约束条件,俯仰角速度和攻角变化规律与工程经验一致。     

飞航导弹变结构过载控制方案研究

对飞航导弹的变结构过载控制进行了研究,提出了以过载、角加速度和角速度构造滑模面的工程易实现的方案。同时,应用根轨迹方法,进行了控制参数的优化设计。最后,针对两类典型飞航导弹模型,将"过载 角加速度 角速度"方案与"过载 角加速度"方案进行仿真比较。结果表明"过载 角加速度 角速度"方案适用范围更广、控制效果更好。     

Investigation of CME properties using the data of SDO and PROBA2 spacecraft

Formation and motion (at the initial stage) of six limb CMEs detected in the period June 2010 to June 2011 are investigated using the high-resolution data of the PROBA2 and SDO spacecraft combined with the data of SOHO/LASCO coronagraphs. It is demonstrated that several loop-like structures of enhanced brightness originate in the region of CME formation, and they move one after another with, as a rule, different velocities. These loop-like structures in the final analysis form the frontal structure of CME. Time dependences of the velocity and acceleration of the ejection’s front are obtained for all CMEs under consideration. A conclusion is drawn about possible existence of two classes of CMEs depending on their velocity time profiles. Ejections, whose velocity after reaching its maximum sharply drops by a value of more than 100 km/s and then goes over into a regime of slow change, belong to the first class. Another class of CMEs is formed by ejections whose velocity changes slowly immediately after reaching the maximum. It is demonstrated that the CME’s angular dimension increases at the initial stage of ejection motion up to a factor of 3 with a time scale of doubling the angular size value within the limits 3.5–11 min since the moment of the first measurement of this parameter of an ejection. For three CMEs it is shown that at the initial stage of their motion for a certain time interval they are stronger expanded than grow in the longitude direction.     

低地球轨道空间环境下航天器表面原子氧通量密度和积分通量分布的数值模拟

基于蒙特卡罗方法和区域分解法,建立低地球轨道空间环境航天器表面原子氧通量密度和积分通量的数学模型。模型考虑了航天器表面几何构型、原子氧数密度和分析热运动、地球自转对航天器速度的影响以及轨道运行参数。通量密度分布的求解是通过其微分方程的对于独立变量分子运动速度和与表面速度矢量合成的积分得到,积分通量是通过沿轨道时间积分来实现。与此同时,得到了沿入射攻角变化原子氧分布的最大值和最小值。计算结果表明:通量分布伴随入射攻角增大而急剧下降,在迎风面达到最大值,背风面最小值。入射攻角是影响分布计算结果的重要因素。计算误差与NASA-LDEF飞行试验实验结果吻合较好。     

Approximate Calculation of Required and Available Lateral Range Achieved in a Spacecraft Descent to a Preset Point on the Earth's Surface

The results of calculation of the required lateral range are presented for the orbital reentry of a spacecraft having a preset inclination and preset ascending node longitude to land at a preset point on the Earth's surface. The suboptimum laws of roll angle variation in velocity are determined, which allows one to reach the maximum available lateral range for a given value of constant lift-to-drag ratio taking into account constraints imposed on the maximum equilibrium temperature.     

The use of solutions to problems of spacecraft trajectory optimization in impulse formulation when solving the problems of optimal control of trajectories of a spacecraft with limited thrust engine: I

In this first part of our paper, it is suggested to use solutions to boundary value problems in the optimization problems (in impulse formulation) for spacecraft trajectories in order to obtain the initial approximation, when boundary value problems of the maximum principle are solved numerically by the shooting method. The technique suggested is applied to the problems of optimal control over motion of the center of mass of a spacecraft controlled by the thrust vector of jet engine with limited thrust in an arbitrary gravitational field in a vacuum. The method is based on a modified (in comparison to the classic scheme) shooting method computation together with the method of continuation along a parameter (maximum reactive acceleration, initial thrust-to-weight ratio, or any other parameter equivalent to them). This technique allows one to obtain the initial approximation with a high precision, and it is applicable to a wide range of optimal control problems solved using the maximum principle, if the impulse formulation makes sense for these problems.     

Optimum Number of Stages in a Staged Vehicle

The problem of optimum partitioning of a staged vehicle (SV) and determination of the minimal number of stages to provide for a maximum velocity in the vertical SV motion in a homogeneous gravity field is considered at a given value of payload mass.     

固体火箭发动机／导弹一体化设计

以某一两级固体地—空导弹作为算例,研究了固体火箭发动机/导弹一体化设计问题。研究以导弹起飞质量最轻和可用过载最大为目标建立了目标函数,利用优化理论完成了7个设计变量的优化设计。优化结果表明,所建立的数学模型是正确的。     

大气层内固体火箭多约束鲁棒三维能量管理制导

针对固体运载火箭大范围精确调节终端约束的要求，提出一种新型的大气层内鲁棒三维能量管理制导方法，通过在线规划侧向速度能力曲线消耗剩余发动机能量。将终端约束表示为关于攻角和速度能力曲线参数的方程组，将闭环制导问题转化为方程组的求解。针对飞行过程中的动压、过载，以及控制变化率等过程约束，构造了攻角和速度能力曲线的可行边界。针对气动系数和发动机参数的不确定性，采用容积卡尔曼滤波器对不确定性进行辨识。仿真结果表明，与模型预测静态规划算法和改进粒子群算法相比，本算法的终端速度调节范围、鲁棒性以及计算效率大幅度提高。     

Optimization of interplanetary trajectories for spacecraft with ideally regulated engines using the continuation method

The problem of optimization of interplanetary trajectories is considered for spacecraft with a small-thrust ideally regulated engine. When the maximum principle is used, determination of the optimal trajectory is reduced to solution of a two-point boundary value problem for a system of ordinary differential equations. In order to solve this boundary value problem, the method of continuation in parameter is used, and with the help of it the formal reduction of the boundary value problem to a Cauchy problem is performed. Different variants of the continuation method are considered, including the method of continuation in the gravitational parameter which allows one to find extreme trajectories with a preset angular distance. The issues of numerical realization of the continuation method are discussed, and numerical examples of its use for solving the problems of optimization of interplanetary trajectories are presented.     

Determination of the width of a corridor of re-entry into the atmosphere for the problem of launching a spacecraft into a circumplanetary orbit after braking in the atmosphere

A method of calculating the optimal trajectories of a spacecraft re-entry into the atmosphere is considered under the condition of minimization of a re-orbit burn at the apocenter of the segment of escape from the atmosphere and taking into account a constraint on the maximum overload.     

V型皱褶芯材夹层结构强迫对流传热与热应力分析

V型皱褶芯材夹层结构与强迫对流冷却相结合,可应用于高超声速飞行器或大功率电子器件承载和散热的多功能设计。文章采用数值仿真方法对强迫对流条件下V型皱褶芯材夹层结构的换热及其产生的热应力进行研究,获得了相应的速度场、温度场及结构热应力分布。结果表明:强迫对流条件下,V型皱褶芯材夹层结构的换热性能明显提高,同时导致较大的压力损失。流体速度场随着几何构型的改变而发生周期性的变化,在结构偏折处波峰一侧流速达到最大,对流换热得到增强;沿着冷却液流动方向,结构与冷却液的温度逐渐升高,并伴随着周期性的波动;皱褶芯材夹层结构的整体换热能力随着入口流速的增大而增强。热流输入侧的面板热应力和变形均较大,结构皱褶部位存在应力集中。     

弹道导弹中段机动突防研究

针对弹道导弹中段机动突防问题，在瞬时冲量假设下从理论上研究了速度增量大小、方向和机动时刻对零控脱靶量和落点偏差的影响。研究表明：速度增量大小和机动时刻给定时，零控脱靶量随速度增量方向不同存在极小值和极大值，速度增量方向垂直于视线方向时零控脱靶量接近最大，且最大值近似为待飞时间和速度增量大小的乘积；速度增量大小和机动时刻给定时，落点偏差随速度增量方向的不同存在极小值和极大值，极值点对应的速度增量方向可通过解析方法求解，落点偏差极大值与速度增量大小成正比，且机动时刻越晚，落点偏差极大值越小。该研究可为突防方案设计提供理论基础。