基于有限元法的大气层外弹道式目标表面温度场分析

获取目标表面温度场是进行红外特征分析的重要前提。为确定大气层外弹道式目标的表面温度场分布,建立了有限元模型。根据目标温度场的轴对称分布特点,在柱坐标系内建立了二维瞬态热传递模型,从而降低了计算量。与当前大部分的有限元软件和文献不同,严格分析了温度非均匀性有限单元的辐射热损失,并推导出轴对称三结点三角形单元的辐射热损失公式。为了能够使用Galerkin法求解时间微分方程组,将辐射热损失视为与时间相关的热载荷项,并用Newton\|Raphson法迭代求解处理后得到的非线性方程组。一个简单的数值实验表明了所提出方法的有效性,最后应用该法求解了目标飞行全程的表面温度场分布。
     

面向微小卫星绕飞任务的平滑估计器与多脉冲制导算法

首先针对传统主动绕飞算法中存在的相角跳变问题,提出一种新型的平滑估计器,解决了经典扩展卡尔曼滤波(EKF)算法应用于主动绕飞过程中存在的估计值抖动和反转问题。接下来,针对传统多脉冲算法不考虑轨道精度和燃料消耗的问题,提出一种改进的导航点规划的最省燃料多脉冲主动绕飞算法。该算法将燃料最省的路径规划问题转化为导航点及相关参数的规划问题,并结合二次规划计算得出满足给定绕飞精度的绕飞路径。最后,将所提出的算法应用于20 kg级的微小卫星空间交互任务当中。仿真结果表明,对于经典的圆形轨迹绕飞应用,本文所给出的算法能够避免相角跳变现象的出现。同时,相比于传统的多脉冲算法最多可以降低42.2%的燃料消耗。     

高速飞行器头罩气动热辐射传输效应计算

对头罩气动热辐射传输效应对红外探测系统的影响进行了研究。用四阶龙格-库塔法对头罩内传输的辐射光线进行追迹,根据理想光学系统成像特性对从头罩出射后在头罩后方理想光学系统中传输的空间辐射光线进行追迹。对头罩气动热辐射(温度场和光线)进行离散处理,建立了头罩内外表面辐射能量的计算模型,获得探测器各单元接收的头罩自身干扰辐射通量分布。仿真计算结果表明:头罩温度随飞行马赫数增大而上升,反之亦然;探测单元接收的头罩自身干扰辐射通量随飞行时间先增后减;气动热噪声随飞行时间先增后降,随头罩温度升高而增大。计算所得气动热噪声与产品实际采集的相符,方法正确。     

航天器在轨全周期热变形分析方法

提出一种适应于在轨全周期热变形的分析方法,采用基于热传导算法进行"热分析模型-结构分析模型"全周期温度场映射,利用数学拟合算法开展对各类结果数据的分析,通过相关程序实现全周期多工况温度场映射、计算、数据分析的自动化。对某遥感卫星进行全周期热变形分析,结果表明:全周期温度场映射时间由天缩短至小时量级,温度场映射精度可控制在1%以内,相对于以往基于极端工况的热变形分析方法,可显著地提升分析精度与验证覆盖性,获得在轨热变形量级、全周期变化规律。文章的研究结果可为航天器热稳定设计提供参考。     

四维黎曼时空下脉冲星导航模型精度分析

考虑深空探测中广义相对论的影响,以适应纳秒量级的计时精度要求,本文针对航天器绕飞轨道,建立四维黎曼时空下带有时间转换项的脉冲星导航系统轨道动力学模型和四维观测模型,并基于无迹卡尔曼滤波方法设计脉冲星导航算法,针对模型中的时延项对导航精度的影响进行分析。分析结果表明:在时间转换模型中引力时延、航天器偏轨时延以及绕飞行星曲率时延等因素远大于航天器曲率时延对导航精度的影响,在量测模型中太阳系的引力远大于周年视差效应和脉冲星自行对导航精度的影响。     

三维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法及其应用

研究了过渡流域三维热化学非平衡流动DSMC方法实现的过程.以四面体非结构网格为基本单元,提出一种新型的高效搜索算法,该算法不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且可以准确判别分子与物面是否相互作用,避免了原有算法中分子表面反射的非确定论判据.设计了适合三维DSMC方法的动态局部时间步长技术,节约了计算时间.将碰撞距离的思想引入到非结构网格上来,有效地消除了网格尺度小于三分之一平均自由程的限制.利用Foaran90的动态分配内存技术编制了适用于任意外形的通用计算程序.最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了数值试验,计算结果验证了该算法的可行性及高效性.     

三维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法及其应用

研究了过渡流域三维热化学非平衡流动DSMC方法实现的过程。以四面体非结构网格为基本单元，提出一种新型的高效搜索算法，该算法不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移，而且可以准确判别分子与物面是否相互作用，避免了原有算法中分子表面反射的非确定论判据。设计了适合三维DSMC方法的动态局部时间步长技术，节约了计算时间。将碰撞距离的思想引人到非结构网格上来，有效地消除了网格尺度小于三分之一平均自由程的限制。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了适用于任意外形的通用计算程序。最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了数值试验，计算结果验证了该算法的可行性及高效性。     

SpaceWire光纤总线时钟同步方法研究

将SpaceWire ECSS-E-50-12C标准中基于Time-Code时间分发的同步方式应用于SpaceWire光纤总线系统中时,存在计时精度不高且计时长度短、延时误差不可控、频率偏差无法补偿的问题,不能满足纳秒级的时钟同步需求。针对以上问题,提出了使用从节点的本地时钟计数、时间戳计算平均延时、以及根据时钟频率偏差调整动态时钟计数的方法,消除时钟同步过程中时钟延时、抖动和频率漂移的影响,提高时钟同步精度。通过仿真验证,在光纤总线系统主节点和从节点的时钟频率不同,传输延时为80ns,延时抖动为8ns,且同步间隙为100μs的情况下,优化后的时钟同步精度达到了从100μs到24ns的提升。     

火箭发动机试验红外测温技术应用

目前发动机试验温度参数主要采用接触式测量方法,测温元件直接与被测对象相接触,优点是测量精度高,缺点是试验过程传感器经常损坏或脱落,且高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。根据发动机试验任务的要求和液体火箭发动机试验的特点,结合先进的分布式无接触式测量及光纤传输的技术,设计并建立了红外热成像测量系统。该系统采用无损、无线测量及光纤传输方式,提高了发动机热试车恶劣环境条件下关键部位温度参数的获得率,为全面研究发动机工作过程温度场分布情况奠定基础。     

基于预处理的非稳态流场计算方法

采用预处理方法可提高Navier-Stokes方程或Eu ler方程计算低马赫数流场的准确度和收敛性能。采用双时间步和预处理相结合的方法计算非稳态流场,保证了采用预处理方法后计算结果的时间精确性。在每一物理时间步,控制方程虚拟时间导数项采用LU隐式时间格式,对流通量采用AUSM 和MUSCL格式进行求解。通过对前台阶流和圆柱绕流的计算,验证了该方法的广泛适用性和计算结果的可靠性。     

考虑量测滞后的INS/SAR组合导航非等间隔滤波算法研究

由于INS／SAR组合导航系统中图像匹配定位需要耗用不等的匹配计算时间，从而造成了量测的不等间隔频率输出和量测信息滞后。针对上述问题，采用常规的卡尔曼滤波算法难以获得高的滤波精度。本文首先分析了常规卡尔曼滤波器工作过程；然后在此基础上，提出了采用非等间隔并解决滞后的滤波算法以解决上述问题。本文利用系统状态转移矩阵的特性，设计了相应的非等间隔卡尔曼滤波算法，以解决非等间隔量测的问题；同时，在该非等间隔卡尔曼滤波算法的基础上，提出了解决量测滞后的方案。并通过协方差分析的方法对比分析了常规卡尔曼滤波器，非等间隔卡尔曼滤波器和解决滞后效应的滤波算法三种情况下的滤波精度。仿真结果验证了本文提出的算法具有较高的滤波精度。     

天线罩瞄准线误差及传输特性的计算法

1.引言由于天线罩瞄准线误差的变化率严重地影响寻的制导系统的稳定性和导引精度,因而要正确计算罩的瞄准线误差及传输性能,使之在各种因素的影响下达到最佳。本文运用二维射线轨迹法计算了天线罩的瞄准线误差和传输系数。此方法既考虑天线罩产生的插入相位的差异和传输系数|T|~2的变化,又考虑了天线口径上的幅值分布和相位分布,因而精度较平均入射角法和对称相位法大大提高。使用这种方法后,可以研究天线罩的各种气动外形对瞄准线误差的影响,可以通过选择材料、壁厚和它的变化规律,调整天线和天线罩的相对位置来减小瞄准线误差。由于在设计阶段就对各种因素进行了考虑,因而在试制时反复修正的次数减少,使成本降低,周期缩短。     

载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究

快速有效的舱内热环境预测分析方法及工具在载人航天器的设计中具有重要的研究地位,而预测方法的合理性、准确性及其计算速度是此类问题研究中的重点和难点。文章围绕计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值计算方法阐述了载人航天器中导热与对流换热的耦合求解问题,分析了不同的求解原理和特点。为了缓解计算速度的问题,基于航天器舱内热环境CFD数值预测方法提出了一种全新的"流场/温度场松耦合"计算方法。对比分析了此方法中温度场在不同时间步长下的计算结果,对计算步长的选取给出了合理的判定准则,同时还分析了不同时刻下设备表面对流换热系数和温度场的计算结果,结果表明文章提出的"流场/温度场松耦合"计算方法在大幅提高计算速度的同时还能在一定范围内保证计算精度,具有一定的工程应用前景和价值。     

一种高超星图高精度半盲复原算法

针对高超声速飞行器在平流层内应用天文导航时受气动光学效应及运动模糊影响后难以观星和高精度导航的问题,提出一种基于正则化思想的高超星图半盲复原算法。该算法首先针对高超星图的特点进行去噪与星点初提取等预处理操作,接着从图像中提出可用的模糊核信息,并通过融合达到去噪的目的。然后结合天文图像灰度及梯度的稀疏先验分布特性,提出一种针对高超星图的正则化非盲复原模型,利用分裂布雷格曼迭代法等算法迭代估计清晰图像。将本算法与传统星图复原算法、其他最新正则化复原算法进行星图复原与导航效果比较,结果表明本算法复原效果最佳,且能明显改善星点识别正确率及质心坐标计算精度,可用于大幅提高超声速飞行器在平流层中的天文导航适应性及导航精度。     

旋转式平台惯导加速度计尺寸效应分析及高精度补偿

为提高HRG平台惯导系统的自主导航精度,利用旋转平均技术组建了HRG旋转式平台惯导系统.针对旋转式平台惯导系统在导航过程中台体绕台体轴的往复旋转会引起加速度计尺寸效应误差的问题,在对加速度计尺寸效应误差的产生机理进行深入分析的基础上,结合旋转式平台惯导系统的特性,提出将坐标变换矩阵完整的旋转矢量表达式代入速度和位置更新方程,建立了加速度计尺寸效应的高精度补偿算法,并讨论了减小加速度计尺寸效应所引起的发散的位置误差的方法.仿真实验结果表明,这种算法能够有效减小加速度计尺寸效应引起的速度误差和位置误差,从而验证了文中理论分析的正确性及所建立的补偿算法的有效性.     

不规则地形条件下的双向抛物方程模型研究

在传统SSFT抛物方程模型基础上,针对传统算法忽略电波后向传播与散射,造成不规则地表边界条件下电波传播预测误差较大的问题,提出了可计算任意不规则地形剖面下前向和后向传播场的递归双向抛物方程模型,并给出了具体实现步骤,提高精度的同时弥补了传统算法的不足。仿真分析了双向抛物方程模型计算标准大气条件下单刃峰、双刃峰及实际地形的电波传播场分布特性,并与传统宽角抛物方程与几何绕射理论进行比较,验证了算法及模型的正确性与有效性。     

GNSS信号捕获精化算法研究

为了提升捕获中获得的载波频率精度,传统捕获算法通常采用增加信号相关积分时间的方式,这导致计算量大幅增加,硬件要求也要提高以满足导航实时性需要。因此,提出了一种新的方法:在信号捕获成功之后加入精化环节,提升捕获环节获得的载波频率精度。阐述了精化算法的原理及其数学分析方法,进行了实验验证,结果证明了该捕获精化算法的有效性。     

单涡旋场激光传输特性研究

对单涡旋场激光传输特性进行了研究。用积分方程形式将整个流场分解成体元,每个体元中的折射率分布不均匀,用麦克斯韦积分方程替代微分方程求解整个流场的光场分布,给出了气动涡流折射率场的计算模型。当流场只存在一个理想涡流且涡流的折射率场有近似的解析形式时,基于非均匀介质散射理论,用Rytov散射近似,由积分方程计算观测平面上光场所受的流场扰动。讨论了不同激光传输距离下流场扰动时的光场空间强度分布。结果发现:随着激光传输距离的增加,光强急剧下降,中心位置光强与无流场扰动时自由空间高斯光束传输中心位置光强相近,但在两侧会形成一个暗环,使激光光场的空间强度分布发生改变,导致激光脉冲光束出现形变。研究说明了用积分方程描述气动光学效应的可行性,为精确计算复杂涡结构流场提供了一种新思路。     

高超声速混合流动的粒子模拟耦合算法

通过采用基于三维非结构网格的子网格技术,对适用于高超声速混合流动的自适应时间步长粒子模拟耦合算法(Improved Hybrid Particle Simulation Method,IHPSM)进行了改进,在保证算法计算效率的同时降低数值误差。通过对三维双曲钝锥外形的数值仿真及与DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算结果的对比分析,证明改进的IHPSM算法具有较高的计算精度,且能较大幅度提高计算效率。基于改进的IHPSM算法,文中针对双曲钝锥外形进行了稀薄气体效应和飞行马赫数对高超声速流动影响规律的研究。结果表明,气体稀薄程度的增加会减缓双曲钝锥前端流场宏观物理量的变化梯度,使流场激波结构变厚;来流马赫数的增大会使激波明显增强,但对激波厚度与结构的影响较小。     

基于FEKO软件的电大尺寸面天线仿真

运用FEKO软件的高低频混合法和多层快速多极子算法对典型电大尺寸面天线——卡塞格伦天线远场方向图进行仿真计算,并对这两种计算方法的计算精度和计算效率进行了比较。结果显示,二者得到的远场方向图基本一致,都具有较高的准确性。因为多层快速多极子算法在计算时考虑了双曲副反射面的遮挡效应,所以与高低频混合法相比,其得到的远场方向图增益略低、旁瓣略高,仿真精度更接近工程实际,但代价是内存开销和计算时间的大幅增加,特别是在网格数较大的情况下。