Multilevel Tests and Measurement Evaluation Methods for the Application of Composite Materials in Spacecraft Structures

With the implementation of new-generation launch vehicles, space stations, lunar and deep space exploration, etc., the development of spacecraft structures will face new challenges. In order to reduce the spacecraft weight and increase the payload, composite material structures will be widely used. It is difficult to evaluate the strength and life of composite materials due to their complex mechanism and various phenomena in damage and failure. Meanwhile, the structures of composite materials used in spacecrafts will bear complex loads, including the coupling loads of tension, pressure, bending, shear, and torsion. Static loads, thermal loads, and vibration loads may occur at the same time, which asks for verification requirements to ensure the structure safety. Therefore, it is necessary to carry out a systematic multi-level experimental study. In this paper, the building block approach (BBA) is used to investigate the multilevel composite material structures for spacecrafts. The advanced measurement technology is adopted based on digital image correlation (DIC) and piezoelectric and optical fiber sensors to measure the composite material structure deformation. The virtual experiment technology is applied to provide sufficient and reliable data for the evaluation of the composite material structures of spacecrafts.     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

超宽带Vivaldi天线的设计及分析

针对机载、弹载等平台的空间有限,设计了一种双指数渐变结构的超宽带Vivaldi天线。天线由微带渐变线馈电,通过矩形共面带线阻抗变换器将小型的超宽带巴伦与天线集成,从而获得2~18GHz的带宽。仿真结果表明:在2~18GHz的工作频段内,天线的回波损耗小于-10dB,天线增益最高可达到10.5dB以上,实测结果与仿真结果基本吻合。将所设计的Vivaldi天线放置于一金属腔体内,对金属腔体对天线性能的影响进行了研究与分析。仿真结果表明:将天线单元放置于金属腔体后,辐射方向相对于原来的辐射方向发生了一定程度的偏转,但随着频率增高,偏转角度逐渐减小。     

子空间跟踪算法在热模态问题中的应用研究

总结子空间跟踪算法识别模态参数的一般步骤。对一个有理论参考解的时变两自由度系统进行仿真,利用添加不同量级噪声的响应数据对系统进行辨识。辨识结果表明:基于新信息准则的子空间跟踪算法拥有较好的抗噪能力。对飞行器舵面结构进行受控快速加热,辨识快速升温过程中的模态参数。辨识结果表明:子空间跟踪算法可用于热模态辨识,有一定的工程应用价值。     

大直径铝合金双曲率薄壁件拉深成形技术

为提高运载火箭贮箱的研制效率,利用有限元仿真技术对某运载火箭贮箱瓜瓣零件的成形工艺进行研究。采取理论分析、数值模拟等手段,分析了压边力、压边形式、压延筋、模具间隙等工艺参数对瓜瓣零件成形的影响,对拉深模结构形式及其工艺参数进行优化。结果表明:采用"双曲面+单拉延筋"设计,当模具间隙设为18 mm时,成形零件的最大减薄率在10%以内,满足设计指标要求。     

泡沫铝隔冲器设计及其对卫星可展开附件收拢状态力学特性的影响

文章针对泡沫铝隔冲器可能降低卫星可展开附件收拢状态的模态频率及放大振动响应等问题,首次提出一种基于表层填充J-133常温胶的开孔泡沫铝块的扁平式隔冲器,以某可展开数传天线为例开展泡沫铝隔冲器设计与分析,并进行了模态试验和振动试验验证。试验结果表明:所设计的泡沫铝隔冲器使可展开附件收拢状态前三阶模态频率降低不到2.5 Hz,而振动响应平均降低约30%。     

一种航空发动机轮盘尺寸与重量预估方法

为了在航空发动机总体设计阶段准确快速的预估轮盘转子的重量,正确把握轮盘结构形式的发展趋势,建立基于等强度型面的轮盘尺寸设计和重量预估模型并开发计算程序,利用程序对某型涡扇发动机的轮盘转子进行重量预估,研究在不同轮盘中心孔半径、不同叶片应力参数(AN2)值下的轮盘尺寸和重量的变化规律,研究轮盘重量在不同轮盘中心孔半径、不同AN2值下随转子叶片材料的变化。结果表明:在满足一定的强度负荷限制和结构限制的条件下,存在轮盘应力和轮盘中心孔半径的最优组合,使得轮盘重量最小;转子叶片采用密度更小的新材料后,轮盘的中心孔半径增大,进而可能演化为叶环结构,转子部件重量大幅下降。     

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

航空发动机高压转子的结构动力学设计方法

建立了航空发动机高压转子的动力学模型,该模型包含所有的结构动力学设计参数,揭示了设计参数与转子振动特性间的关系,提出了转子临界转速界值的估计方法,并予以理论证明.建立了分别基于两阶临界响应的支承刚度设计准则.发现了转子参数临界转速现象,在参数临界转速处,阻尼器将失去阻尼作用,振动趋于无穷大;给出了参数临界转速出现的条件,上述的结论对于航空发动机高压转子的设计具有重要的指导意义.     

单元体结构发动机总体结构尺寸控制与分析

在单元体结构发动机中,在各小的维修单元体或大的单元体内部,通过逐级控制一些关键尺寸,来满足单元体本身互换性要求,同时满足发动机总体结构设计的要求,这也是单元体发动机设计和装配中需重点关注的问题。以国外某发动机为例,通过尺寸链的分配和必要时在内部设置调整环,使单元体内部的这些关键的总体结构特征尺寸达到一定的精度要求,贯穿至发动机总体结构设计和协调、传装及总装装配的各环节中,使发动机总体结构尺寸如转、静子轴向间隙等更加合理可靠,避免发生干涉等问题。