Dynamics and control of spacecraft hovering using the geomagnetic Lorentz force

To achieve hovering, a spacecraft thrusts continuously to induce an equilibrium state at a desired position. Due to the constraints on the quantity of propellant onboard, long-time hovering around low-Earth orbits (LEO) is hardly achievable using traditional chemical propulsion. The Lorentz force, acting on an electrostatically charged spacecraft as it moves through a planetary magnetic field, provides a new propellantless method for orbital maneuvers. This paper investigates the feasibility of using the induced Lorentz force as an auxiliary means of propulsion for spacecraft hovering. Assuming that the Earth’s magnetic field is a dipole that rotates with the Earth, a dynamical model that characterizes the relative motion of Lorentz spacecraft is derived to analyze the required open-loop control acceleration for hovering. Based on this dynamical model, we first present the hovering configurations that could achieve propellantless hovering and the corresponding required specific charge of a Lorentz spacecraft. For other configurations, optimal open-loop control laws that minimize the control energy consumption are designed. Likewise, the optimal trajectories of required specific charge and control acceleration are both presented. The effect of orbital inclination on the expenditure of control energy is also analyzed. Further, we also develop a closed-loop control approach for propellantless hovering. Numerical results prove the validity of proposed control methods for hovering and show that hovering around low-Earth orbits would be achievable if the required specific charge of a Lorentz spacecraft becomes feasible in the future. Typically, hovering radially several kilometers above a target in LEO requires specific charges on the order of 0.1 C/kg.     

捷联式天线稳定平台动力学建模与仿真分析

对于体积有限制的战术导弹应用,导引头天线伺服系统的体积受到严格限制,传统的速率陀螺稳定平台的应用受到挑战,为此提出采用捷联稳定方式来解决视线稳定问题.根据弹载捷联式天线平台的结构特点及稳定原理,应用坐标变换方法,完整地建立了两自由度捷联式天线平台的运动学与动力学模型.通过分析平台框架运动学耦合关系,表明捷联稳定方式与速率陀螺稳定方式的基本区别在于信息的获取和控制方式上,速率陀螺稳定方式是一种直接硬件稳定方法,而捷联稳定方式是一种软件补偿方法.在此基础上,对框架动力学耦合特性进行了数值仿真,结果表明:弹体对框架的耦合较强,需要进行弹体解耦,而框架之间的交叉耦合相对较弱,实际设计时可以忽略.所得结果为进一步研究捷联式天线稳定平台提供了理论基础,也为小型化导引头视线稳定平台系统的工程设计提供了一种解决方案.     

引气对跨声轴流压气机性能的影响

以单级跨声轴流压气机NASA Stage35为研究对象,根据影响转子和静子通道流动的主要物理现象分别设计了多种引气方案.通过数值模拟比较分析引气与不引气状态下压气机的详细流场,结合实验测量结果,研究转子机匣端壁引气位置以及静子机匣端壁引气量对压气机性能及流场的影响.结果表明:转子机匣端壁引气能够有效控制间隙泄漏流的发展,减小叶尖损失,提升压气机性能.不同的引气槽结构和轴向位置对间隙流动的影响机理不相同;静子机匣端壁引气能够有效减小静子叶排损失,提升压气机效率.      

SINS外场系统级标定方法的优化——最佳六位置

静态多位置标定问题,不同位置编排方式会影响辨识精度.针对六位置标定方法,通过建立位置编排与惯组9个误差参数(加速度计零偏、标度因数误差和陀螺零偏)标定精度之间的关系,将惯组位置编排问题转化为Fisher信息矩阵的优化问题,并在A-最优、D-最优和E-最优3个优化指标下,给出了惯组位置编排的最优方案,通过仿真与满足可辨识条件的一组位置编排比较,结果表明最优方案能够提高加速度计零偏和标度因数误差的标定精度.      

虚拟维修技术研究与应用

针对虚拟维修在建模与仿真等核心环节的研究中存有很大局限的问题,提出了虚拟维修方法体系,探讨虚拟维修理论与方法,在此基础上开展虚拟维修模型与仿真控制方法的深入研究.提出虚拟维修模型即维修任务网(MTN,Maintenance Task Net),MTN基于Petri网可描述维修过程,可表达维修过程中资源、活动和约束.提出MTN驱动虚拟仿真的触发规则及建立控制虚拟维修仿真机制.通过飞机典型设备维修案例对提出的虚拟维修模型和控制机制进行了实例验证,应用结果验证了建模与仿真方法的有效性,为支持维修性工程应用提供了可行的技术途径.      

基于GSPN的飞机前轮转弯系统安全性评估

为解决在缺乏统计数据时无法对系统安全性进行评估的问题,提出将系统广义随机Petri网(GSPN,Generalized Stochastic Petri Nets)与经典评估相结合的方法.以某型尚处于设计阶段的飞机前轮转弯系统为研究对象,通过分析该系统结构功能图,建立出系统故障类型和影响分析(FMEA,Failure Modes and Effects Analysis)表;依照经典公式,求出系统各单元及其故障类型的故障率、维修度、平均无故障时间和平均维修时间等数据;将求得的数据与前轮转弯系统的GSPN模型相结合,利用TimeNET软件求得系统各故障类型的稳态失效概率;联立经验公式及危险度矩阵图对系统的安全性进行评估.经测评,该型飞机前轮转弯系统安全性符合设计要求.      

基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断

针对使用两个星敏感器进行姿态测量的三轴稳定控制系统,利用星敏感器输出值与陀螺输出值的解析冗余关系,通过设计两个滤波器实现对不同星敏感器的故障隔离.考虑到陀螺测量噪声以乘性噪声的形式出现在姿态运动学方程中,利用陀螺输出测量值和目标星敏感器的测量值,采用线性最小均方差估计器得到包含目标星敏感器故障信息的残差; 以无故障情况下残差的统计方差为基础得到阈值,通过检验残差评价值是否超过相应的阈值,实现对目标星敏感器故障的检测; 分别将两个星敏感器作为目标星敏感器,综合两个故障检测结果隔离故障.对星敏感器出现测量偏差和精度逐渐下降两种故障的仿真验证了该方法的有效性.     

乘波飞行器气动优化设计的关键技术与进展

乘波飞行器以高升阻比以及高度一体化性能成为国内外高超声速临近空间飞行器研究的热点。介绍了乘波飞行器气动优化设计的发展现状,重点分析了机体/推进一体化设计、增升减阻降热设计和优化设计方法的关键技术,提出了乘波飞行器气动优化设计的一种思路,并对未来进一步的研究进行了展望。     

民用客机增升装置气动噪声研究进展

随着民用飞机数量的快速增加,航空噪声问题日益引起世界范围的关注。增升装置作为重要的机体噪声源之一以其流动复杂性和声源多样性成为民用航空气动声学的难点之一,欧美各国为此开展了大量的研究。总结了增升装置气动噪声的产生机理以及控制措施的研究现状,在此基础上还特别关注了目前工业部门气动与声学的设计思想及需求。     

翼身组合体的变可信度优化设计

基于信赖域思想,发展了一种变可信度优化设计方法组织和管理不同可信度模型,有效利用低可信度模型建立近似模型,进行优化设计,高可信度模型仅修正优化近似模型,使最终优化结果收敛到高可信度模型上.采用全位势边界层有粘无粘迭代方法作为低可信度模型,多重网格Navier-Stokes方程方法作为高可信度模型,对翼身组合体进行优化设计,优化结果表明:发展的变可信度优化方法优化效率高,且能保证优化精度,具有实际的工程应用价值.