"嫦娥五号"月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术

"嫦娥五号"月球探测器在着陆时要承受相当大的着陆冲击载荷,一般采用大推力器来降低其着陆速度。推力器附近的隔热组件由于受到辐射和羽流的综合影响,其温度会在140 s内达到1000℃左右。文章利用在真空条件下红外加热的方法,采用非线性变增益PID控制器对隔热组件进行温度控制,以模拟发动机工作的温度边界条件。为此,研究了红外灯加热器的动态特性和高精度快速温度控制算法,并在真空容器内搭建高温模拟与控制系统,进行了该模拟方法的试验测试及验证。研究结果表明:对于970℃的目标温度,控制算法使隔热组件温度达到稳定状态的时间为135 s,超调量为0.5℃,在实际试验中取得良好的控制效果。     

加权叠加结构滤波器组动态信道化结构研究

针对传统DFT多相结构滤波器组动态信道化结构要求系统过采样因子必须为整数,限制了参数设置的灵活性的问题,将灵活高效的加权叠加(WOLA)结构滤波器组引入动态信道化结构。通过公式推导得到WOLA综合滤波器组的实现结构,进而设计了基于WOLA结构滤波器组的动态信道化结构。仿真结果表明,设计的动态信道化结构解除了系统过采样因子必须为整数的限制,增强了参数设置的灵活性,同时与DFT多相结构滤波器组动态信道化结构相比,重构误差减小了一个量级,具有良好的重构特性。     

基于特征线理论的旋转爆震流场结构特征研究

特征线理论及其计算方法是气体动力学的经典理论与方法,应用于旋转爆震流场分析具有简单高效的特点。将坐标系建立在爆震波上,对旋转爆震流场进行简化,采用特征线理论并结合流场计算单元过程,建立旋转爆震流场计算模型。研究了当量比和喷注参数对氢气/空气、甲烷/空气以及辛烷/空气3种不同预混气的旋转爆震流场结构特征的影响。结果表明:爆震波高度和倾斜角度受混气当量比和喷注总温影响明显;燃料由小分子氢燃料变为大分子碳氢燃料时,爆震波高度和倾斜角度逐渐减小;混气当量比和喷注总温主要通过影响爆震波传播速度、高度和倾斜角度而影响爆震波后宏观流场特征趋势。     

叶盘耦合振动转/静子叶片数与节径数关系

针对航空发动机中叶盘结构的共振分析问题,通过研究气体激励力和叶盘节径型振动在转子坐标系下的数学表达形式,利用叶盘结构共振时,气体激励力需要对叶盘系统做正功的条件,推导了叶盘发生共振时,节径数与转/静子叶片数应满足的关系式dm=kNv-nNb。通过3个数值算例对上述关系式进行了阐述:从气动功和谐响应分析的角度验证了当上述关系存在时,且激励频率等于结构固有频率时,叶盘系统会发生危害共振;同时指出,当上述变量不满足上述关系时,若激励频率等于叶盘结构的固有频率,也会引起部分叶片发生较大振动的可能。      

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术,通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟,结果与风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征,适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因,后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下,对转螺旋桨气动力会产生周期性波动,波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速,因此在相同工况下,对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍,效率提升约1.5%。      

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

导流锥结构参数对燃气弹射筒内压力冲击平滑效果影响研究

针对导流锥结构参数对内弹道流场耦合影响问题,基于动态分层动网格技术,构建了含导弹运动和二次燃烧的内弹道数值模型,并验证了模型可靠性。解耦分析了导流锥半径、高度及冲击高度对内弹道流场特性和载荷的影响。结果表明：导流锥的结构直接决定燃气飞溅现象的产生和流场结构的紊乱程度,导流锥的半径、高度和冲击高度的改变会对燃气反射点的位置、二次燃烧的区域以及剧烈程度产生影响;结构优化后的导流锥,较大程度地缓解了冲击现象,获得了较好的平滑效果,筒底压力较实验装置降低了24.5%。     

轨控期间挠性卫星姿控系统的容错控制

卫星在实施轨道控制期间,轨道机动推力会影响卫星的姿态稳定.本文针对存在推力干扰的挠性卫星,研究执行器故障情况下姿控系统的容错控制问题.首先设计一种基于反步自适应变结构的被动客错控制器实现姿态稳定,在此基础上,采用分布式智能部件作为执行器,设计补偿项以更好地抑制挠性结构的振动和常值变形.最后,以轨控期间挠性卫星姿态控制系统的飞轮故障为应用实例进行数值仿真.仿真结果验证了本文所设计的姿态容错控制器的有效性和可行性.     

基于机械飞轮干扰补偿的小卫星自适应滑模变结构姿态控制

针对机械飞轮内干扰可能导致小卫星姿态控制系统性能下降问题,提出了一种加入机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构姿态控制方法.本文针对基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态控制系统,首先建立系统详细的数学模型,包括基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态动力学方程和机械飞轮控制系统模型,然后针对此系统设计了一种基于机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构控制器,其中通过设计一种状态观测器得到机械飞轮摩擦干扰的估计值,用于对机械飞轮摩擦干扰的补偿,并通过Lyapunov定理证明了此控制律能保证系统的渐近稳定性.最后仿真结果显示,此方法缩短了飞轮转速过零时间,降低了最大的姿态扰动量且提高了卫星姿态控制的精度和稳定度.     

基于鲁棒状态观测器的运载火箭姿态控制系统设计

考虑弹性振动和液体晃动,采用鲁棒观测器设计了运载火箭的姿态控制系统。将姿态角测量结果中弹性振动的影响视为外界干扰,利用状态观测器的低通滤波特性实现对高频弹性信号的衰减,同时状态观测器替代速率陀螺估计得到姿态角速度,以姿态角和角速度信号为输入,采用扭曲二阶滑模控制方法设计了姿态控制律,并从理论上对该控制律稳定液体晃动和弹性振动的原理进行了证明,对观测器变换矩阵的选择进行分析。数值仿真表明,在参数摄动和干扰的影响下,所提出的变结构控制律能够有效的跟踪控制指令,稳定系统姿态,具有较强的鲁棒性,同时鲁棒状态观测器能够准确的估计出角速度信息。