航天器动力学技术的发展和挑战

本文首先简要回顾了中国航天器动力学分析设计技术的研究发展和工程应用；然后，阐述了21世纪初期中国复杂航天器的发展对航天器动力学分析设计技术提出的新要求，重点分析了在动力学分析、仿真、优化与试验方面必须突破和解决的若干关键技术；最后，对中国航天器动力学分析设计技术的发展目标和前景作了展望。     

涵道气动优化设计方法

基于动量源方法进行涵道气动力的计算,分别采用响应面模型和基于神经网络模型对NASA涵道构型进行优化设计,并对优化结果采用CFD进行验证,优化结果表明两种优化方法均取得了一定的优化效果,悬停状态下,基于响应面方法,涵道拉力增加了19.4%,基于神经网络方法,涵道拉力增加了21.2%.并为了较为细致地研究涵道拉力产生的机理,在对涵道进行建模时,采用一种分区的方法,将涵道划分为6个区域,并得到了涵道拉力在此6个区域上的分布.计算结果表明:涵道唇口形成的负压是产生涵道附加拉力的主要因素,且靠近涵道内侧唇口提供的拉力占比重较大.该优化方法可以有效地应用于涵道外形的气动优化设计中.      

基于隐式嵌套重叠网格技术的阻力预测

 采用一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术,对美国国家航空航天局通用化研究模型(NASA-CRM)翼身平尾(WBT)组合体进行了数值模拟与分析。多层多块隐式嵌套重叠网格技术是结合多层多块嵌套重叠网格处理策略和隐式切割方法,在建立重叠网格之间的流场信息传递关系时,基于网格单元切割准则选择"最优"重叠单元而无需人工设定插值边界。对美国AIAA委员会召开的第4届阻力预测研讨会(DPW-4)提供的CRM WBT组合体生成4种不同密度的结构化多层多块嵌套重叠网格,并采用计算流体力学(CFD)方法进行数值计算和阻力预测,计算结果与CFL3D和OVERFLOW的结果进行了对比。数值模拟结果表明:计算得到的压力分布和极曲线与CFL3D和OVERFLOW的结果几乎相同,说明了隐式嵌套重叠网格技术的有效性,同时也验证了流场求解方法与程序的可靠性。当迎角增大到3°左右时,在机身与机翼、尾翼连接处出现明显的分离涡,影响CRM WBT组合体的气动特性。在阻力预测方面,增加网格密度能够提高阻力预测的精度。采用不同的湍流模型会导致升、阻力系数的计算结果存在一定的差异,因此,湍流模型的选择也是阻力预测需要考虑的因素。     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

声学引导风洞高效低噪声风扇设计

运用任意涡风扇设计方法,进行声学引导风洞高效低噪声风扇设计。在设计过程中,通过调整叶片径向旋转系数分布优化叶片出口速度分布,通过合理匹配转子、定子数目及定子后掠角度来改善动静叶的干涉噪声。气动及声学性能试验表明,高效低噪声风扇设计点气动效率达到83.9%,相比引导风洞原风扇效率的73%有了明显的提高;高效低噪声风扇入口及出口噪声分别比原风扇入口及出口噪声低3dB（A）和2dB（A）。试验结果成功验证了任意涡设计方法在风扇气动及声学性能上的优越性。     

基于MBD的关联设计技术在飞机研制中的应用

MBD技术可以保证产品全生命周期过程中数据源的唯一性,实现上下游数据的无缝对接,有效提高产品设计效率。主要研究MBD的表达方式及关联设计中骨架模型的建立方法,阐述骨架模型的工作原理。结合飞机型号研制,首先进行总体骨架、接口骨架、部段骨架和部件骨架模型的定义,进而实现设计内部各专业“自顶向下”的关联设计,并以MBD数据集作为飞机研制过程中的唯一数据源,工艺、工装、检验人员在MBD数据集基础上开展并行协同的关联设计,有效地改善团队之间的沟通,使设计更改变得简单、快速,减少了设计错误,缩短了产品的研制周期,提高了设计质量。     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度,传统几何定轨法精度受限,只能达到亚米级,而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解,定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能,利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品,对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算,与事后精密轨道结果进行比较,分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据,切向与径向的定轨精度可达2cm左右,法向为5cm左右,较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于混水原理的供热系统节能分析

混水供热对供热运行有很好的调节作用,并逐渐被更多的供热运行自动控制系统所采用。对某分流混水供热自动控制系统进行了分析,指出了分流混水方式的弊端。提出了采用回流混水供热方式可以更有效地进行供热调节和节能降耗,并且具有响应快和准确度高等优点;同时对回流混水供热进行了节能分析、定量计算以及水温控制方程推导等。     

选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟

选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型,展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源,借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程,克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题,获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示,金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为,高温熔体流速为1～6 m/s,熔滴飞溅速度为1～4 m/s。随着工艺参数的调整,飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析,追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解,通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息,进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。     

基于BP神经网络的随机信号筛选算法

在随机信号导航研究中,可接收到的信号数量众多、种类繁杂、特征多样,难以从中选择出适用于导航的信号。针对随机信号的筛选问题,提出了一种基于BP神经网络的随机信号筛选算法。该算法通过输入随机信号的特征信息,对随机信号的定位误差进行了估计,通过定位信息的误差对将信号用于导航的效果进行了评估。仿真结果表明,该算法能够对由随机信号解算而得到的导航信息误差进行估计,可以达到较好的筛选效果。