面向下一代运载火箭的综合电子系统集成技术

介绍了面向下一代运载火箭分布式模块化电子系统(DIMA)的集成技术及系统架构。针对下一代运载火箭复杂电子系统的特点,按照系统集成的路线,对系统设计目标、系统功能需求分析、系统抽象机制、系统综合技术等多方面进行论述。首先,根据电气系统功能获得系统需求,采用功能抽象和层次抽象定义系统抽象模型,提取出高内聚低耦合的原子功能模块,并对模块的属性、交换关系、时序约束关系等进行定义;然后采用可视化表征方法对系统进行深入分析,利用系统综合技术实现了从系统功能到硬件资源的映射,从而给出了集成控制单元和模块的种类;随后采用分时分区的设计理念对系统节点分区划分方案及容错架构进行了定义,并对分区操作系统的调度模型和交换式的数据交互网络进行了论述,最终给出了系统软硬件架构。     

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型,建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM),空间离散采用二阶迎风TVD格式,对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算,将数值结果与试验数据进行广泛对比,验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明,火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值,随着飞行高度上升,辐射热流逐渐降低,火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势,并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

输出重定义的高超声速飞行器鲁棒自适应控制律设计

针对一个吸气式高超声速飞行器模型,研究了其鲁棒自适应控制方法并进行了稳定性分析。针对高超声速飞行器的非最小相位特征,通过输出重定义的方法使非最小相位系统的不稳定零动态变为渐近稳定。采用反馈线性化方法设计控制器,实现对速度信号和航迹角信号的稳定跟踪,同时采用切换控制方法消除系统不确定性带来的影响,提高系统的鲁棒性。稳定性分析结果证明系统具有公共李雅普诺夫函数,且所有状态量均能收敛到原点附近的一个小邻域内。仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效跟踪参考轨迹,且在给定的有界连续不规则变化模型不确定性和外界干扰范围内也具有良好的跟踪性能。     

火箭发动机超声速过膨胀射流气动噪声特性研究

采用大涡模拟LES方法计算了火箭发动机超声速过膨胀射流形态及近场声压分布,研究了入口温度与环境温度的比值(温度比)对声场的影响;将声源分解,基于Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程获取了不同位置噪声源的远场噪声,并根据声压级频谱和湍流形态分析了超声速射流噪声的产生机理。研究表明,超声速过膨胀射流气动噪声由湍流混合噪声和宽频激波噪声组成,近场噪声源以马赫波形式向大方位角辐射中高频噪声,下游大尺度湍流向低方位角范围辐射低频噪声,声压级峰值频率随观测角度增大而升高;随温度比升高,马赫波辐射角度增大,噪声指向性发生改变。该研究可为运载火箭发动机地面试车或火箭发射段声学环境设计提供参考。     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务,首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型,采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型;其次,研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法,并引入零反作用机动,消除机械臂运动对平台姿态的扰动;再次,在不使用零反作用机动功能时,分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器,在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后,开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真）,仿真结果校验了上述方法的有效性。     

磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状

对磁悬浮框架飞轮(MSGFW)和高精度磁轴承研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据转子悬浮力类型，将磁悬浮框架飞轮分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和混合力构型，并结合三种构型论述了国内外框架飞轮的发展过程。在此基础上，对球面磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行了详细介绍，并结合磁路图分析其工作原理，比较了同类磁轴承的优劣。展望了磁悬浮框架飞轮与高精度磁轴承的未来发展方向，指出高动态响应检控共位平动球面磁阻力磁轴承，标准磁悬浮动量球和磁悬浮控制敏感球是磁悬浮框架飞轮的研究重点。     

超声速条件下多体干扰与分离试验研究

采用根据国外公开文献设计的类CAV模型,在0．6m×0．6m 跨/超声速风洞中开展了多体干扰与分离网格测力试验研究,初步获得了典型多体飞行器分离过程中的气动特性变化规律。试验结果表明,载荷模型气动特性受分离位置变化影响非常明显。载荷模型沿轴向分离时,气动力（矩）逐步接近自由流中气动力（矩）值,载荷模型法向位置改变会引发其气动力（矩）值发生更为剧烈的变化。引发这种现象的原因有两个：一是尾迹和头激波的发展改变了不同轴向位置处载荷模型的表面流态,从而影响了其气动特性;二是母机模型底部流动具有明显的非对称膨胀特征,不同法向位置处流速大小和方向差异明显,导致载荷模型气动特性随法向位置变化更为剧烈。     

航天器姿态预设性能控制方法综述

针对存在不确定惯量矩阵及其它未知不确定性(如执行器故障、航天器结构发生突变等)下的航天器姿态控制问题，综述了预设性能控制及其应用的研究进展。首先阐释了预设性能控制方法的基本内涵及其关键步骤；然后分析总结了现有航天器姿态控制以及预设性能控制研究的基本概况与发展趋势；最后面向未来复杂化、智能化的空间任务对航天器控制系统提出的新需求，提出航天器预设性能控制值得研究的问题和方向。     

小卫星最佳温度动态范围热控设计方法研究

为探索低热惯性小卫星动态传热下的热控设计方法,首先建立双层集总参数模型,在得到温度时均量解析解的基础上,类比阻尼振荡系统,采用傅里叶变换法求解温度波动量解析解,从而建立周期变化外热流下温度动态变化与热控参数间的解析关系。以此为基础提出“最佳温度动态范围”热控设计新方法。对某型微小卫星进行“最佳温度动态范围”热控设计,并通过其在轨温度遥测量动态变化对该方法的准确性和可行性进行验证。     

卫星导航信号畸变导致的测距偏差的估计方法

为定量评估导航信号的测距性能,本文研究了在轨卫星导航信号畸变导致的测距偏差估计问题。基于Vernier采样原理利用大口径抛物面天线采集在轨卫星导航信号,经数据处理获得一个伪码周期的脉冲波形。在此基础上,对该波形起点位置进行精确估计,然后根据延迟锁定环工作原理产生超前本地波形和滞后本地波形,获得E-L鉴别器曲线,最后估计鉴别器曲线的零交叉点偏差,该偏差即为卫星导航信号畸变导致的测距偏差。利用北斗卫星采集信号,获得了B1频点I支路信号的测距偏差,验证了该估计方法的正确性。