空空导弹固体发动机内弹道对导弹后体流场非定常影响的数值模拟

空空导弹高空工作过程中,外部的超声速来流与其固体火箭发动机的尾部喷流相互作用,形成复杂的非定常尾部干扰流场,影响导弹后体的工作环境。为了探寻发动机内弹道对导弹后体结构的非定常影响,采用双组分气体的非定常CFD仿真模型对某空空导弹发动机工作期间的喷管内流场和导弹外流场进行一体化数值模拟,研究了由多个自由剪切层、激波、膨胀波等组成复杂干扰流场的结构,以及在发动机内弹道和外流速度的非定场效应影响下其变化过程,在此基础上定量分析了由此引起的尾流的温度和燃气的扩散,以及在不同内弹道阶段发动机对导弹后体结构产生的影响。计算结果表明,非定常干扰流场在导弹后体附近产生不断变化的低速涡流区域,加速了温度和燃气的扩散,致使导弹尾端面区域受到高温气体冲刷,进而降低导弹后体结构的安全性。因此,空空导弹的后体设计有必要考虑并减少发动机内弹道与导弹外流的非定场影响对导弹后体安全性所造成的潜在威胁。     

可重复使用运载器再入数学建模

针对可重复使用运载器(RLV)方案论证和初步设计阶段对模型的需求,提出了一种RLV再入概念设计,进行了数学建模研究。RLV采用翼身组合体的气动布局,包括左右升降副翼、方向舵和机体襟翼。对其无动力再入返回姿态控制,建立了反作用控制系统/气动舵复合控制数学模型。再入过程要经历自由分子流区、稀薄大气过渡流区和连续流区,基于气动力的工程计算方法建立了这三个流区的RLV气动模型。控制特性分析与六自由度再入仿真表明,所设计的RLV控制模型具有与航天飞机轨道器一致的再入飞行特性,证明了数学建模的有效性,能够进一步用于RLV姿态控制的研究。     

基于凯恩方程的无人机伞降回收动力学建模与仿真

在无人机的伞降回收过程中,无人机与降落伞一直都处于实时的动平衡状态,两者在伞降回收过程中的耦合关系及其复杂,因此很难建立精准的无人机伞降回收动力学模型。针对该问题,将伞降回收系统划分为降落伞和无人机分别进行处理。针对时变对象降落伞,通过阻力面积随充气时间的变化关系建立其动力学模型。针对无人机,首先,基于多体动力学思路,将其划分为左右机翼和机身的多体系统,通过平板绕流系数优化其伞降过程中的大迎角动力学模型;然后,通过偏速度矩阵将各体的动力学模型引入伞降回收系统质心;最终,基于凯恩方程推导并建立了伞降回收系统六自由度模型,并引入海拔高度和风力对无人机伞降回收的影响。通过数值仿真与实验数据的对比,可以发现两者具有较好的一致性,该动力学模型能够为无人机的伞降回收提供指导。      

两种不同注水方式的燃气蒸汽式发射系统内弹道性能比较

对逐渐注水冷却与集中注水冷却燃气蒸汽式发射动力系统进行了研究,着重分析不同注水方式下发射动力系统结构的差异、注水的特点及其对发射内弹道性能的影响,在此基础上开发出一套用于预估和比较不同注水方式下发射系统内弹道性能的系统化程序。计算结果显示,不同注水方式下导弹在发射筒内运动加速度、速度、位移随时间变化的规律和发射筒内工质气体状态参数随时间变化的规律,为燃气蒸汽式发射系统的设计和方案选择提供参考依据。     

基于HLA的航天飞行任务联合仿真系统设计

简要说明了HLA的基本特点,描述了一个已经实现的航天测控仿真系统,并将其结构思想与HLA进行了对照。在此基础上,提出了一个依据HLA标准,对航天员座舱仿真、火箭和飞船仿真、测控网仿真等进行集成的航天飞行任务联合仿真系统框架,分析了各个仿真联邦成员的功能需求和信息接口,并着重介绍了针对任务要求的时间管理、数据通信等关键RTI机制的设计和实现方法,以及参照FEDEP模型和借助商业成品软件工具的系统开发策略。     

空间通信自适应文件传输协议设计

现有的基于调整重传次数来降低文件传递时延的算法,或固定地重传丢失的协议数据单元（包）两次,或仅根据丢包率来调节重传次数,没有考虑到包个数、丢包率、链路单向传播时延与单个包发送时延之比等影响因素。文章基于延迟型否定应答文件传输协议,提出了一种用于空间通信的自适应调节重传次数的文件传输协议。对该协议的文件传递时延和额外传输开销性能进行了理论建模,分析了重传阶段包重传次数对重传回合数和重传包总个数两方面的影响,提出了自适应调节模块的设计方案。理论分析和仿真结果表明,在地火通信、文件包个数为1k、丢包率为0.79条件下,相比于双重传文件传输协议和延迟型否定应答文件传输协议,分别缩短了55.69%和74.28%的文件传递时延;在地月通信、文件包个数为100k、丢包率为0.79条件下,相比于仅根据误码率调节重传次数的重复发送文件传输协议,缩短了28.05%的文件传递时延。     

固体运载器发动机内弹道设计方法

为研究对固体运载器总体性能提升有利的发动机内弹道设计方法,建立了发动机内弹道计算模型,并选取两个燃面设计参数表征内弹道曲线构型。针对某三级固体运载器进行了仿真分析,分别以发动机冲质比最大及运载器射程最大为目标对发动机的内弹道曲线构型进行优化设计,并对这两种设计方法进行对比研究。研究结果表明,发动机性能最优并不一定会实现运载器总体性能最优,以运载器射程最大为目标,对发动机内弹道曲线构型进行优化设计,可显著提高运载器总体性能。研究成果可应用于固体运载器总体方案初步论证阶段,提升固体运载器的性能水平及方案论证效率,使固体运载器总体设计方案更具时效性和竞争性。     

鸬鹚起飞阶段的脚蹼力学建模及运动学计算

鸬鹚在水面起飞的过程中,进行周期性扑翼运动的同时,其脚蹼也不断进行周期性拍水运动。为探究脚蹼周期性拍击水面对鸬鹚水面起飞的贡献以及定量计算每个拍水周期中脚蹼力的大小,探讨了鸬鹚起飞过程中后肢力量的贡献以及需要腿部力量辅助的原因;同时,比较自然界生物在水面行走或奔跑方式的异同,从而研究鸬鹚等水栖鸟类在水面上连续拍水的机理。通过蛇怪蜥蜴和鸬鹚脚蹼水上运动模式和机理的对比,类比研究脚蹼对水面冲击而产生支持身体冲量的大小与脚蹼在拍水时与水接触变化的过程;定义鸬鹚腿部自由度,建立鸬鹚起飞过程脚蹼周期性拍水运动的运动学模型,分析腿部关节角度与脚蹼中心坐标的D-H矩阵,并研究关节角速度与脚蹼中心速度的雅可比矩阵,通过现有的视频分析验证模型可靠性,并对鸬鹚脚掌运动以及水平、竖直方向的运动做了基本计算。      

基于本征正交分解的平流层风场建模与预测

平流层风场环境对临近空间低动态飞行器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,提出一种基于本征正交分解(POD)的风场数据降阶方法,在此基础上,提出一种可以对平流层风场进行预测的Fourier模型。以长沙地区2005—2009年风场为例,采用提出的POD方法与Fourier预测模型对风场进行建模与预测,并对Fourier预测精度进行分析。研究结果表明,采用POD方法可以对东西方向风场进行高效率高精度降阶建模;通过Fourier预测模型可以对东西方向风场进行准确预测,预测精度与实际风场随时间变化的规律性有关,风场数据越紧凑,周期性越明显,预测精度越高。      

对卫星柔性对接补加一体化机构建模与设计

阐述了一种弱撞击交会条件的对接补加一体化机构.在机构设计上采用柔性杆实现软连接,刚性周边杆实现纠偏和刚性锁紧,阻尼装置吸收对接碰撞能量,并采用可浮动的气/液耦合和电气接口进一步实现高精度的气/液/电路连接.采用拉格朗日分析力学建立飞行器多体动力学模型,利用模态叠加法对碰撞过程柔性部件的变形进行描述,从而建立飞行器柔性对接动力学模型.多工况动力学仿真试验表面所设计的对接补加一体化机构可在0.25 m/s弱撞击速度范围,20 mm横向对接容差以及±5°角度容差范围内实现可靠对接.对接补加一体化装置完成样机研制,并在直线运动平台上完成对接性能和电路连接的多次试验,在专用补加系统上完成接口密封性和模拟推进剂传输试验.