轨/姿控火箭发动机推力矢量动态测试系统测量原理与动态性能

 基于国防和航天对轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量动态测试的重大需求,以压电石英为力敏,研制了压电式推力矢量动态测试系统。在探讨推力矢量描述参数及计算的基础上,提出了一种推力矢量测量方案。根据静力平衡原理,推导了求解推力矢量的一般方程。改进了非线性模态分析方法,以所获取的实际动态响应曲线为基础,建立了测试系统的理论动力学模型,利用拉普拉斯变换与逆变换、卷积定理,研究了系统的动态性能和脉冲推力测量性能。针对脉冲推力测量过程中所产生的误差,提出了一种基于理论动力学模型的加速度补偿算法。实验结果证明了测量方案和加速度补偿算法的可行性。     

Direct Optimization of Low-thrust Many-revolution Earth-orbit Transfers

Low-thrust Earth-orbit transfers with 10^?5-order thrust-to-weight ratios involve a large number of orbital revolutions which poses a real challenge to trajectory optimization. This article develops a direct method to optimize minimum-time low-thrust many-revolution Earth-orbit transfers. A parameterized control law in each orbit, in the form of the true optimal control, is proposed, and the time history of the parameters governing the control law is interpolated through a finite number of nodal values. The orbital averaging method is used to significantly reduce the computational workload and the trajectory optimization is conducted based on the orbital averaging dynamics expressed by nonsingular equinoctial elements. Furthermore, Earth's shadowing and perturbation effects are taken into account. The optimal transfer problem is thus converted to the parameter optimization problem that can be solved by nonlinear programming. Taking advantage of the mapping between the parameterized control law and the Lyapunov control law, a technique is proposed to acquire good initial guesses for optimization variables, which results in enlarged convergence domain of the direct optimization method. Numerical examples of optimal Earth-orbit transfers are presented.     

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

超燃冲压发动机推阻力特性研究综述

超燃冲压发动机由进气道、燃烧室和尾喷管等部件构成,推阻力是其最重要的特性参数。回顾了超燃冲压发动机部件级推阻力特性和整体推阻力特性研究现状,介绍了超燃冲压发动机推阻力特性研究方法和测量技术。建议今后研究过程中关注以下几个问题：研究精确的自由射流试验测量技术,研究流场均匀性对发动机性能的影响,开发高精度仿真平台。     

基于膨胀度可控的SERN设计及试验验证

单边膨胀喷管（SERN）是超燃冲压发动机的关键部件,由于其几何非对称,在发动机点火/熄火瞬间,SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差,影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何/气动调节方式,但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法,将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究,并对模型B进行缩比冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4.5时,模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0.1%,而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80.49%;飞行马赫数为6.5时,模型B的推力系数比模型A不仅上升1.1%,同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12.73%,验证了设计思想的正确性,为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。     

航空用燃气发生器和高温放气阀的设计原则及试验

分析了燃气发生器和高温放气阀的作用及必要性,阐述了两者的设计思路,提出了有关的设计原则,并根据该原则设计研制出了满足技术指标的燃气发生器和高温放气阀.对两者进行一系列试验,验证了设计原则的正确性.结果表明:燃气发生器在最小空气流量为0.025kg/s,最高燃气工作温度为950℃,燃气温度波动范围为±10℃,实现稳定工作;高温放气阀在1200℃时能实现不漏气、灵活可靠的工作.上述技术指标均高于我国目前地面上使用的、车用的同类试验设备.利用该两项试验设备,可准确、完整地得到涡轮增压器特性,为实现航空活塞发动机的优良高空性能提供了依据.      

脉冲推力轨道拦截可达性描述及求解方法

针对航天器单脉冲轨道拦截可达性分析问题,基于共面变轨、逆轨拦截假设,考虑能量、时间和交会角约束,提出了拦截航天器可拦截区和可发射区的概念。在航天器单脉冲空间可达范围的基础上,进一步考虑了目标轨道的约束,建立了目标轨道命中区的计算策略,对异面轨道交叉点为燃料最省点做出了解释。把拦截可达性相关的问题归纳为8个基本拦截问题,通过这8个问题的组合,描述了考虑能量、时间和交会角约束下拦截问题的可拦截区和可发射区的计算方法。采用圆轨道共面变轨、逆轨拦截场景进行了仿真验证,结果表明该方法能够快速有效地计算出约束条件下航天器的拦截可达范围,能够用于分析特定任务情况下的拦截可达性。     

轴对称推力矢量控制伺服机构空间运动解耦研究

针对由发动机摆动喷管矢量控制的两个伺服机构间的牵连效应导致的伺服机构运动耦合问题,提出了一种新型空间解耦计算方法。该方法利用欧拉角描述喷管姿态,通过空间齐次坐标变换矩阵原理对两路喷管伺服机构进行解耦计算,得到了两路伺服机构的伸长量解析解,确保了控制指令的精确,并通过ADAMS虚拟样机仿真验证了该计算方法的正确性。仿真实验结果表明,此计算方法与虚拟样机的仿真结果完全吻合,计算精度高,可以对喷管任意姿态进行运动精确控制。     

基于夏氏最小二乘的轨道控制力系数辨识

在航天器轨道捕获、轨道维持和空间目标碰撞规避中都需要进行航天器轨道机动。针对航天器轨道机动过程中推力器的推力系数为装订常数,没有根据在轨工作实际进行优化而导致出现较大误差的情况,对控制力拟合系数进行辨识,作为修正控制参数以补偿轨道控制误差的依据,提高轨道控制精度。统计分析在轨管理的典型航天器平台及其发动机的轨道控制历史数据,分析轨道控制理论和在轨控制数据拟合建立轨道控制经验模型,用当前可测量的系统输入和输出预测系统输出的未来演变,得到不同工作情况下实际轨道控制误差与控制参数及其他主要影响因素之间关系的经验公式,为轨道控制策略决策提供参考。选取轨道半长轴控制量300m以上和300m以下的两类近地卫星,对其轨道控制历史数据进行分析,经实际数据测试,采用夏氏法进行推力系数拟合后预测的速度变化量精度较高。该种计算方法利用了轨道控制历史数据,计算方法简单,提高了轨道控制速度增量的预测精度,对轨道控制实施具有参考意义。     

喉部曲率半径对最大推力喷管性能的影响

针对不同喉部结构进行了最大推力喷管型面设计计算,分析了不同曲率半径对喷管流量系数、几何效率、推力系数、扩张损失和分离点位置的影响。结果表明：流量系数随上游曲率半径的增大而增大,推力系数和几何效率随下游曲率半径的增大而减小;下游曲率半径的增大导致扩张损失在小范围内不断减小,分离点位置后移。