航天器轨道机动的闭环控制精度分析

利用线性协方差分析法对航天器在闭环控制作用下轨道机动的精度问题进行了研究。首先,分析了存在的主要误差,给出了误差影响下航天器轨道机动闭环控制的系统框图。然后建立了开环和闭环控制系统协方差分析的数学模型,并根据轨道方程线性化给出了脉冲速度修正算法。对赤道大椭圆轨道卫星开环和闭环控制下轨道机动的精度问题进行了分析,与Monte Carlo仿真结果与一致,校验了方法的有效性与正确性。     

数据电路误码的模拟方法

分析数据电路中不同调制方式下的误码分布,对随机数进行数学变换产生不同的误码图案,从而给出数据电路模拟器中误码的模拟方法。     

基于lipschitz非线性滑模观测器的卫星故障检测

航天器模型存在非线性问题, 但其小角度在轨运行时满足lipschitz条件,可以在这种情况下进行故障检测, 提高系统的安全性. 应用滑模非线性观测器, 针对多执行器设计了多通道故障检测观测器, 通过Lyapunov函数对其收敛性进行证明. 结果表明, 观测器不仅能够实现故障检测, 还能够实现故障的隔离, 并利用反证法进行了说明. 应用线性矩阵不等式, 给出了观测器参数的求解, 进而对卫星建模及仿真, 与线性化方法进行比对, 验证了算法的有效性.      

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

Effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor

The effects of pressure oscillation on aerodynamic characteristics in an aero-engine combustor are investigated. A combustor test rig is designed to simulate the pressure drop characteristics of a practical annular combustor. The pressure drop characteristics are firstly measured under atmosphere condition with non-reacting flow (or cold flow), and the air mass flow proportion of each component (dome/liner) are obtained; these properties are base lines for comparison with combustion state. The combustion tests are then carried out under conditions of inlet temperature 340–450 K, fuel air ratio 0.010–0.028. The stability map and the oscillation frequencies are obtained in the tests, the results show that pressure oscillation amplitude increases with the increase of fuel air ratio. Phase trajectory reconstruction is applied to classify the pressure oscillation motion; there are three motions captured in the tests including: “disk”, “ring” and “cluster”. The pressure drops across the dome under strong pressure oscillation are distinctly divergent from the cold flow, and the changes of pressure drops are mainly affected by pressure oscillation amplitude, but is less influenced by pressure oscillation motion nor oscillation frequencies. Based on the mass flow conservation, the reduction of effective flow area of combustor under strong pressure oscillation is demonstrated. Liner wall temperatures are analyzed through Multiple Linear Regression (MLR) method to estimate the reduction of the air mass flow proportion of the liner cooling under strong pressure oscillation. Finally, the air mass flow proportions of each component under strong pressure oscillation are estimated, the results show that the pressure oscillation motion also has influence on air mass flow proportion.     

等质量立体五星库仑编队飞行的分析与控制

分析了立体五星编队在静电力和万有引力作用下的静态构型。分别讨论了五星编队在共线和平面情况下的静态构型,着重研究了五星构成立体双直角六棱锥构型时各个卫星所带的静电荷量。由于地球同步轨道的卫星所受到的作用力不仅是万有引力与静电库仑力,还有空气阻力等摄动力,因此只有对其施加控制,卫星才能在静态平衡点保持编队构型的稳定性。本文采用线性二次型最优控制方法来保持编队的静态构型稳定,并通过Matlab实现了五星立体库伦编队飞行控制仿真。     

基于Gauss伪谱法的临近空间飞行器上升段轨迹优化

综合考虑密度变化、声速变化、发动机推力变化及地球引力等因素对飞行轨迹的影响,研究了与实际飞行环境更加相符的临近空间飞行器燃料最优爬升轨迹。针对该问题在气动数据处理和优化求解上存在的困难,提出一种基于Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method,GPM)的求解策略。首先,依据气动数据特点,设计拟合模型对气动参数进行高精度拟合;其次,为避免间接法和传统直接法的缺点,将Gauss伪谱法和序贯二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)相结合,对存在边值及加速度约束的轨迹优化问题进行求解,获得最优飞行轨迹。仿真结果表明,在更为真实的飞行环境下,利用GPM和SQP相结合的方法可在5.83s获得一条精度为10-4～10-6左右的飞行轨迹。     

旋成体仿生凹坑表面减阻试验研究

基于非光滑表面减阻的仿生学理论,通过凹坑表面控制超声速旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力.利用3因素5水平的二次旋转设计,对排列在旋成体后部的仿生凹坑表面参数进行优化.Ma数为2.51,基于旋成体最大直径的雷诺数为1.9×106的风洞试验表明,旋成体后部的凹坑表面最大可减小旋成体4.98%的粘性前部阻力以及2.69%的底部阻力,总阻力最大可减小2.98%.通过二次旋转设计得到关于凹坑直径、深度以及凹坑轴向间距三个因素的二次回归方程,利用此方程得到的最优凹坑表面减少总阻力4.4%.     

基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计

通过刚度矩阵转换,将复合材料层合板等效成正交各向异性材料板,并采用beam单元模拟加筋桁条。将机翼盒段的蒙皮厚度和加筋桁条面积作为设计变量,机翼盒段的质量作为目标函数,运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化方法,对多变量、多约束条件下的大展弦比复合材料机翼进行结构优化设计。通过算例分析,机翼的复合材料结构质量下降了9.55%,优化时间较短。     

空间机械臂力学模拟件的设计与优化

为降低机械臂进行地面力学实验时的成本,真实地反映机械臂的力学性能,提出一种机械臂等效力学特性的设计方法,并对机械臂力学模拟件的参数进行优化。根据机械臂的结构原理,对机械臂关节的轴承刚度、扭转刚度进行等效设计,通过目标达到法对机械臂力学模拟件的参数进行优化,将力学模拟件与机械臂各质量模块的质量、质心坐标、质心各方向转动惯量等关键参数进行对比并进行实验验证。结果表明,力学模拟件与机械臂各关节模块力学参数基本一致,力学模拟件能够满足实验要求,可降低力学环境实验成本。