运载火箭姿态控制稳定性多速率陀螺组合策略

针对运载火箭飞行姿态控制中采用多速率陀螺组合代替单速率陀螺的问题,提出了任意数量速率陀螺组合的斜率计算方法,方法适用于大型运载火箭一级飞行速率陀螺组合姿态控制方式。推导了组合斜率不确定度的计算公式,并将不确定度纳入组合系数矩阵的计算当中,从而给出了一套工程实用的多速率陀螺组合姿态控制弹性稳定性策略。利用工程实例说明了组合速率陀螺较单个陀螺的优势。多速率陀螺的使用降低了对全箭模态试验振型斜率选位和斜率测量精度的要求,可为未来运载火箭不开展全箭试验提供支撑。     

固体火箭发动机模态分析中的推进剂建模研究

应用有限元软件Marc建立了某固体发动机有限元计算模型，对其中难以用有限元模型准确描述的推进剂，采用了两种简化建模方法。一种是仅仅考虑推进剂质量，忽略其刚度等属性，将推进剂简化为均匀附加在发动机壳体有限元模型节点上的集中质量；另一种是将推进剂作为几何实体，考虑其质量和刚度，建立推进剂实体模型。模态计算结果与试验比较表明：推进剂的壳体节点集中质量模型，能较好地模拟发动机的弯曲特性，由于忽略了推进剂刚度，对于呼吸振动特性的模拟不太理想；相比之下，推进剂的实体模型，由于同时考虑质量和刚度，对弯曲和呼吸振动特性的模拟较好一些。计算还表明，要逼近高阶振型，需要将推进剂弹性模量修正得更高一些。     

某火箭发动机系统振动特性测试和仿真分析

从计算和试验两方面分别研究了某火箭一级发动机的振动特性。侧重介绍了模态试验和商业有限元软件在发动机振动特性快速分析中的具体应用,以及发动机三维有限元模型如何应用于全箭有限元梁模型。计算结果和试验结果吻合较好。     

固体火箭发动机模态分析

应用有限元软件Marc建立了某空载固体火箭发动机的有限元模型,进行模态分析,得到了自由状态下的振动频率和振型,与试验结果吻合较好.200Hz以内,分析模型选用的发动机以呼吸振型为主,也出现了一阶弯曲振型.     

运载火箭模态试验仿真技术研究新进展

针对传统数学模型修改技术无法解决大型工程问题的局限性,为了实施模态试验仿真,提出一套适用于航天器复杂结构模型修改新技术,称之为子结构试验建模综合技术。简要综述在运载火箭模态试验仿真技术方面研究的新进展,并介绍两个应用实例:一是CZ-2E运载火箭全箭模态试验仿真与预示,用介绍的模态试验仿真技术成功地预示运载火箭模态参数,预示的模态与随后进行的实尺运载火箭模态试验所测到的模态非常一致,进而验证介绍的仿真技术的可靠性;另一个是CZ-2F载人运载火箭全箭模态试验仿真,它为箭船耦合动力学分析提供了可靠数学模型与数据。这两个大型工程应用实例说明了运载火箭模态试验仿真技术的工程实用性。     

基于有限测点的复杂管路全局振动预示方法

基于数值模拟和实验提出和验证了一种利用有限测点振动信息进行典型管路系统约束状态及载荷参数重构识别,进而通过精细有限元建模实现管路系统动态响应评估的管路全局振动检测预示方法。主要研究内容包括:首先,建立了典型发动机管路结构随机振动响应分析正问题有限元模型,提出了针对管路振动全面预示的测点设置策略; 其次,发展了激励和约束...     

基于前馈神经网络的柔性连续臂建模与仿真

柔性连续臂的设计研究近年来取得重大进展,但其建模研究一直相对滞后.为此,文章对柔性连续臂进行运动学建模研究,提出使用临时姿态矩阵求解逆运动学的方法,解决了逆运动学不易收敛的问题;利用前馈神经网络对基于模态振型函数(MSF)的模型进行拟合,建立一种端到端的正运动学模型和逆运动学模型,在保证模型精度的同时,显著提高了其逆运...     

基于粒子群优化算法的整星有限元模型修正方法

文章介绍了一种基于粒子群优化算法的整星有限元模型修正方法,首先对整星进行了有限元建模和模态分析,并将试验和分析结果进行了相关性分析,然后引入粒子群优化算法对整星有限元模型进行修正,提高了模型分析和预示精度,为整星级有限元模型修正提供了一种新的手段。     

风洞模型支撑机构有限元模型修正与确认

风洞模型支撑机构有限元建模对预测风洞试验中的结构动力学响应至关重要。然而采用模态试验修正有限元模型需要多轮迭代优化,随着修正参数的增多,数值优化耗时将呈指数化增长。为解决上述问题,联合ABAQUS、MATLAB搭建iSIGHT结构有限元模型修正平台,基于此平台开展某模型支撑机构有限元动力学模型修正,根据试验设计变量对响应的贡献量,筛选灵敏度较高的修正变量;构建前4阶频率差和振型相关性为多目标函数,使用近似建模得到修正变量和目标函数的响应面模型,采用多目标优化方法NSGA-II开展模型修正;修正后的模型前4阶频率差均在10%以内,振型相关性均大于0.8。对修正模型开展动力学响应确认,使用结构模态动力学响应与锤击试验响应作对比,结果显示,修正模型满足工程需求,可用作下一步复杂载荷作用下的结构动力学响应预测。     

三维粘弹性药柱随机性能初步分析

针对固体火箭发动机药柱结构分析中随机因素的影响,以不可压缩粘弹增量有限元和随机有限元为基础,采用局部平均方法对随机场进行离散,推导了三维随机粘弹有限元方法,并编写了随机有限元程序,与Monte-Carlo方法计算结果进行了对比。对三维药柱进行了泊松比、材料模量及结构相关模型等随机参数影响的对比分析,所得结果为进一步药柱结构随机分析奠定了基础。     

多航天器反步滑模SO(3)协同控制

针对多航天器系统的姿态协同控制问题，基于特殊正交群(Special Orthogonal Group, SO(3))提出了滑模协同控制设计方法。结合有向通信拓扑，建立了多航天器SO(3)姿态模型。在此基础上研究了SO(3)上协同误差形式，提出了适用于协同控制器构造的SO(3)指令设计方法。为了解决姿态奇异问题，根据SO(3)姿态特性引入补偿项并设计了相应的滑模面，进一步采用反步法完成了SO(3)协同控制器设计，同时给出稳定性分析过程。提出的反步滑模方法保证了协同控制器在整个姿态空间内的适用性，使得多航天器系统能够实现稳定的姿态协同。文中采用两组多航天器系统仿真校验了所提协同方法的有效性。     

毫米波多模单脉冲天馈系统的研制

为减小和差矛盾和完善毫米波多模自跟踪反射面天线的系统性能 ,在带宽范围内进行了矩形波导七模馈源的设计。矩形波导七模馈源的结构比较复杂 ,模比及相位难以控制 ,但采用理论计算结合 HFSS软件仿真的设计方法 ,仅需加工一次 ,即可得到满足要求的毫米波多模自跟踪馈源。对整个天馈系统的测试结果表明 ,与理论完全吻合 ,其工作带宽、旁瓣电平、零深、和差矛盾等指标都优于理论值     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

物伞系统空间运动模式分析

以物伞回收系统为背景,通过理论建模和数值仿真的方法,得出物伞回收系统两种基本空间运动模式（平面摆动和圆锥运动）,分析了其产生原因。利用空投录像验证了文章分析结果,其结论可为工程设计部门提供重要理论参考。     

基于鲁棒状态观测器的运载火箭姿态控制系统设计

考虑弹性振动和液体晃动,采用鲁棒观测器设计了运载火箭的姿态控制系统。将姿态角测量结果中弹性振动的影响视为外界干扰,利用状态观测器的低通滤波特性实现对高频弹性信号的衰减,同时状态观测器替代速率陀螺估计得到姿态角速度,以姿态角和角速度信号为输入,采用扭曲二阶滑模控制方法设计了姿态控制律,并从理论上对该控制律稳定液体晃动和弹性振动的原理进行了证明,对观测器变换矩阵的选择进行分析。数值仿真表明,在参数摄动和干扰的影响下,所提出的变结构控制律能够有效的跟踪控制指令,稳定系统姿态,具有较强的鲁棒性,同时鲁棒状态观测器能够准确的估计出角速度信息。     

火箭大偏航入轨双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制

为实现参数不确定和扰动下运载火箭大偏航入轨过程高精度姿态稳定控制,提出了一种双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法。首先基于运载火箭飞行动力学方程构建了面向控制的姿态模型;然后分析模型中存在的复合扰动,构建双回路扰动观测补偿滑模控制框架;通过引入有限时间收敛微分器、观测器和滑模控制器,实现了运载火箭姿态控制回路对姿态指令的高精度快速响应。该方法能够有效观测并补偿同时存在的匹配和非匹配扰动项,提高运载火箭姿态控制系统对参数不确定的适应性。通过对比传统PID控制方法,充分验证了双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法的良好性能。     

固体捆绑火箭姿控系统建模与设计研究

针对固体捆绑火箭复杂空间模态对姿控系统的影响问题,推导建立了新的姿态动力学模型,分析了弹性振动对三通道姿态运动的影响并采用逆Nyquist阵列法进行了姿控系统设计。首先建立了新的固体捆绑火箭姿态动力学模型,模型中基于有限元法导出了弹性振动方程,这是与传统模型最主要的区别。然后针对弹性振动引起的三通道姿态运动间耦合问题,分析了耦合的强弱,采用逆Nyquist阵列法设计了控制器。最后通过时域仿真验证了方法的可行性。结果表明,虽然结构上捆绑火箭芯级和助推之间纵、横、扭耦合比较明显,但引起的三通道间耦合却比较弱,被控模型在设计频段内具有明显的对角优势性质。采用逆Nyquist阵列法设计的控制器是可行的,仿真结果满足工程要求。     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。     

跨介质航行器流体动力外形仿生设计

跨介质航行器是一种可在空中与水中两栖巡航并能自由穿越水气界面的新概念海空两栖无人运动平台,需要具备良好的入水和出水性能及较小的水下流体阻力。采用两种生物组合仿生的设计思想,利用全自动三维影像扫描仪获取具有优良入水性能的翠鸟头部和龙虱身体的形体特征点云数据,应用傅立叶级数拟合方法拟合特征曲线,设计了一种跨介质航行器流体动力外形,为减小航行器入水冲击载荷、降低水下航行阻力提供了设计方案。