Comparative assessment of human–Mars-mission technologies and architectures

We compare a variety of mission scenarios to assess the strengths and weaknesses of options for Mars exploration. The mission design space is modeled along two dimensions: trajectory architectures and propulsion system technologies. We examine direct, semi-direct, stop-over, semi-cycler, and cycler architectures, and we include electric propulsion, nuclear thermal rockets, methane and oxygen production on Mars, Mars water excavation, aerocapture, and reusable propulsion systems in our technology assessment. The mission sensitivity to crew size, vehicle masses, and crew travel time is also examined. Many different combinations of technologies and architectures are applied to the same Mars mission to determine which combinations provide the greatest potential reduction in the injected mass to LEO. We approximate the technology readiness level of a mission to rank development risk, but omit development cost and time calculations in our assessment. It is found that Earth–Mars semi-cyclers and cyclers require the least injected mass to LEO of any architecture and that the discovery of accessible water on Mars has the most dramatic effect on the evolution of Mars exploration.     

航天器环境干扰力矩的闭环辨识与补偿

研究引入干扰力矩辨识的方法提高三轴稳定航天器在稳态运行期间的高精度指向控制问题.基于航天器的稳态输出数据和系统传递函数,对环境干扰力矩的完整模型进行闭环辨识.其中采用改进的特征系统实现相关算法和多元线性回归法辨识环境干扰力矩的模型参数,最后使用前馈控制对所辨识的环境干扰力矩实现在线补偿.分析和仿真结果表明,该方案能有效地克服不确定的环境干扰力矩对姿态稳定度的影响,提高在轨运行航天器的姿态稳定精度.     

冲压发动机用轴对称进气道设计和试验

完成了一种Ma=2.5～4.0冲压发动机用超声速轴对称混合式进气道模型的设计,通过数值模拟和风洞试验,获得了马赫数Ma=2.5,3.0,3.5,4.0,攻角α=0°,3°,6°,8°条件下的超声速轴对称混合式进气道性能。试验结果表明,随着马赫数的增加,总压恢复系数大幅度下降,亚临界稳定范围变窄,流量系数逐渐增加;随着攻角的增大,总压恢复系数和流量系数总体都呈降低趋势,在Ma≥3.0,α=6°时,进气道性能的下降小于5%,亚临界稳定范围变窄。     

管壳式换热器的一种优化设计

换热器的结构优化涉及到多参数的耦合问题.区别于以往优化方法只是将换热器单个性能涉及因素作为目标函数,选取换热器性能涉及因素中的换热体积和换热过程压降损失为优化对象,以湿空气与水热交换作为具体工况条件,分析了管壳式换热器的传热和压降模型,得到了管壳式换热器设计的优化结果,找到了一种综合考虑换热器体积以及换热过程压降损失的换热器结构设计方法.与普通设计方法相比,该方法可以有效减小换热器体积与传热过程压降损失.     

基于GA-BP贝叶斯算法的可靠性分析近似模型

研究了GA-BP(Genetic Algorithm-Backpropagation)贝叶斯算法在可靠性仿真中的应用.GA-BP贝叶斯算法是一种新型前馈神经网络训练算法,它建立在遗传算法(GA)、L-M(Levenberg-Marquardt) BP算法以及贝叶斯方法这三者的基础上.由于该算法的训练目标是获取对应于后验分布最大值的权值向量,并且在搜索过程中融入了遗传算法,因此能够使前馈神经网络具有更佳、更稳定的泛化性能.在可靠性仿真中,采用GA-BP贝叶斯算法来构造前馈神经网络近似模型,再用它来替代复杂费时的数值仿真程序进行Monte Carlo模拟,就能够在计算成本得到有效控制的同时获取随机输出变量的概率分布情况.     

扰动测量环境中基于图像序列的模态参数识别

针对结构模态参数识别,提出了一种基于二维连续图像序列的识别方法.该方法以CCD相机采集的图像序列为基础,在待识别结构上选取一定数量的特征点,运用因子分解法将结构运动参数和外形信息分离开,得到各特征点的运动轨迹,通过实施特征系统实现算法(ERA,Eigen-system Realization Algorithm)识别出结构的模态参数.特别是当测量仪器,即CCD相机受到扰动时,能够从图像序列中分离扰动,得到结构自身的运动参数,保证较好的识别效果.以相机受扰动时,悬臂梁模型为例进行了仿真分析.将识别出的悬臂梁前5阶频率与ANSYS计算结果进行对比,结果吻合很好,对于工程中利用光学图像识别结构动态特性具有较高的参考价值.     

基于均匀试验设计的Whipple结构弹道极限方程数值仿真研究

均匀试验设计是一种部分因子试验设计方法,将该方法引入航天器Whipple结构超 高速撞击弹道极限问题研究。采用均匀试验设计方法设计少量的试验,即可代表整个变量空 间的特性。针对试验方案,采用数值模拟获得了弹丸极限穿透直径同撞击条件的关系。将本 文研究结果与已有的物理试验和Whipple结构弹道极限方程对比,结果表明采用本文的方法 获得的弹道极限方程具有较好的预测准确度。
     

大攻角条件下的二维进气道型面优化设计

基于一维气体动力学,以进气道前体楔面楔角为优化设计参数,以总压恢复系数、流量系数最大及阻力系数最小为优化目标,对二维进气道外型面进行了优化设计,并综合考虑了大攻角条件下的位于背风面与迎风面上进气道面临的不同来流条件.在优化设计中,采用改进后的NSGA-Ⅱ遗传算法.在问题求解中,对NSGA-Ⅱ算法的交叉算子及优选策略进行了改进.优化结果表明.总压恢复系数与阻力系数的优化结果具有一致性,即二者可同时达到最优;第一级楔角的大小对流量系数的影响显著.对优化结果进行了数值模拟,数值模拟结果表明,文中设计的型面构型满足设计要求.该设计方法可用于二维进气道型面考虑攻角条件下的初步设计.     

有限推力航天器双主动交会的最优控制

研究了两异面椭圆轨道的有限推力航天器在协同轨道机动以完成交会任务(双主动交会)时的最优控制问题.构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件.针对推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同情况,采用直接配置法和序列二次规划法求解了反平方力场中的最优控制数值解.考察了不同初始参数对双主动交会最优控制历程的影响,并将双主动交会形式与主被动交会形式进行了对比.结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会在减少燃料消耗或缩短交会所需时间方面具有明显优势.     

大长径比卷弧尾翼火箭弹气动特性数值研究

采用CFD方法对大长径比卷弧尾翼火箭弹流场进行了模拟,对比风洞实验数据,验证了数值方法可靠性.对比单个弹体和翼身组合体的气动特性,得到了卷弧尾翼对全弹气动特性的影响.利用正交设计方法,建立以卷弧尾翼6个几何参数为因素的正交数值实验表,得到卷弧尾翼几何参数对各个气动系数的影响.分析零安装角卷弧尾翼在超音速下零度攻角时流场,指出翼面压力分布差异,得到自诱导滚转力矩产生机理,同时分别指出超音速时其随攻角、曲率半径、展弦比和马赫数的变化趋势.