航天器快速绕飞姿控脉宽调制研究

针对航天器快速绕飞姿态控制和脉宽调制,提出了脉宽调制指令算法,结合航天器转动惯量、期望状态、控制力矩等进行了姿态控制可行性分析。基于误差四元数的姿态滑模控制,结合不同的控制力矩和脉宽调制档次,采用姿态角误差分析了脉宽调制、控制力矩、姿控精度的关系。通过数值仿真,验证了脉宽调制控制指令的有效性和姿态控制应用的可行性。     

Thrust measurement method verification and analytical studies on a liquid-fueled pulse detonation engine

In order to test the feasibility of a new thrust stand system based on impulse thrust mea- surement method, a liquid-fueled pulse detonation engine （PDE） is designed and built. Thrust per- formance of the engine is obtained by direct thrust measurement with a force transducer and indirect thrust measurement with an eddy current displacement sensor （ECDS）. These two sets of thrust data are compared with each other to verify the accuracy of the thrust performance. Then thrust data measured by the new thrust stand system are compared with the verified thrust data to test its feasibility. The results indicate that thrust data from the force transducer and ECDS system are consistent with each other within the range of measurement error. Though the thrust data from the impulse thrust measurement system is a litter lower than that from the force transducer due to the axial momentum losses of the detonation jet, the impulse thrust measurement method is valid when applied to measure the averaged thrust of PDE. Analytical models of PDE are also discussed in this paper. The analytical thrust performance is higher than the experimental data due to ignoring the losses during the deflagration to detonation transition process. Effect of equivalence ratio on the engine thrust performance is investigated by utilizing the modified analytical model. Thrust reaches maximum at the equivalence ratio of about 1.1.     

多循环脉冲爆震发动机概念化设计

为发展一种基于多循环爆震试验的新的脉冲爆震发动机结构设计方法，以汽油为燃料、空气为氧化剂，在内径为50mm的脉冲爆震发动机模型内产生了充分发展的脉冲爆震，根据试验结果对脉冲爆震发动机的结构参数进行了设计，设计结果更接近工程实际。研究发现，当发动机结构尺寸一定时，决定推力壁压力等效作用时间的经验常数K不是一个定值，而是随爆震频率的增大按一定函数关系减小，当爆震频率增大到一定程度时，经验常数的变化幅度逐渐减小并最终趋于常值3．90。根据得到的经验性的函数关系计算出单次爆震的经验常数K为5．35。     

扰流片对汽油/空气脉冲爆震发动机爆震波压力的影响

在汽油 空气吸气式脉冲爆震发动机(PDE)协调工作的基础上,利用动态压力传感器测量了爆震波峰值压力。研究了圆环型扰流片的堵塞比、片数和间距对爆震波峰值压力的影响,以及上游扰流片间和下游扰流片间压力波峰值压力的变化。研究表明:一定结构的PDE,扰流片存在合理的堵塞比和间距以及最少片数。试验得到最佳堵塞比为44 5%左右,最佳片间距为爆震管内径的2倍左右,最少片数为6片。这些结果对PDE和扰流器的优化设计有重要指导意义。     

脉冲爆震发动机的蒸发助爆器试验

为使φ180 mm的燃用汽油的气动阀式脉冲爆震发动机成功起爆,设计了几种型式的蒸发助爆器以提高燃油的蒸发率,通过蒸发助爆器内产生爆震波来触发大管内的爆震波。进行了不同蒸发助爆器管内径(φ13mm,φ16 mm,φ29 mm)的试验比较,φ29 mm的蒸发助爆器内装螺旋型钝体与不装螺旋型钝体的试验比较,以及φ29 mm和φ37 mm都装螺旋型钝体的蒸发助爆器试验比较,分析了不同管径及不同结构蒸发助爆器对爆震波产生的影响及机理,及对爆震波压力、推力的影响。结果表明,采用多管形蒸发助爆器可以使PDE成功起爆。在同样堵塞比下,在蒸发助爆器的小管内加螺旋型钝体并增加螺旋形钝体钢丝直径,减小小管壁厚,对降低推力损失有利。      

变截面引射器轴向位置对脉冲爆震火箭发动机的性能影响

在5～15Hz工作频率下,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,当量比为1.0的条件下,对不同轴向位置处变截面引射器的增推性能进行了实验研究。通过试验,获得不同安装位置时PDRE的推力。研究表明,引射器轴向安装位置对增推性能有很大影响。扩张型引射器适宜安装在PDRE射流出口下游2～3倍射流出口直径处,最大推力增益为102.57%;收敛型引射器适宜安装在上游一倍射流出口半径处,最大推力增益为86.7%。实验中,所有轴向安装位置都可产生正推力增益。     

基于区间不确定性的涡轮盘强度可靠性优化设计

针对涡轮盘在初期设计过程中可利用试验数据少的问题,采用区间模型描述不确定性,以非概率可靠性模型描述可靠性,提出了基于区间不确定性的涡轮盘强度可靠性优化设计方法.同时,为了提高该方法的计算效率,提出两级分阶段构造法,建立非概率可靠性指标关于设计变量的响应面函数,并以此响应面函数表征可靠性约束,从而将可靠性优化设计的双重优化过程转化为单重优化过程,简化了算法结构.典型涡轮盘强度可靠性优化设计算例结果表明,所提方法降低了对试验数据量的需求,且计算成本较低,计算效果较好,能够较好适用于涡轮盘的初期设计.     

隔舱式双脉冲发动机金属膜片设计与实验研究

为得到双脉冲发动机隔舱结构关键部件金属膜片适宜结构,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子计算公式,得到金属膜片在内压作用下的设计方法,建立了膜片破坏压强与结构尺寸之间定量关系,并通过6次膜片动态破坏单项实验验证了其正确性.在此基础上,利用缩比发动机分别开展了隔舱热流承压、热流打开、热流联合实验以进一步考核隔舱的工作特性.结果表明:所导出的金属膜片设计方法与实验结果较为一致,平均误差约4.394％,可以用于脉冲发动机膜片具体结构尺寸设计;隔舱承压、密封、打开、消融性能良好,可以较好满足双脉冲发动机使用要求.     

区间不确定信息下可修系统基于幂律过程的贝叶斯可靠性评估方法研究

贝叶斯方法常用于小子样场合下航空航天等领域中可修系统的可靠性评估,由于一些不确定因素影响致使无法精确收集先验信息和/或可修系统的故障信息,但却可获得其上下界信息。针对区间不确定信息情形,提出多台可修系统当其失效过程服从幂律过程（PLP）时的贝叶斯可靠性分析方法,将信息先验下PLP模型基于区间信息的贝叶斯分析转化为所求目标函数恰是该先验下PLP模型传统贝叶斯分析的约束优化问题;通过具体工程实例对本文所提方法的可行性、有效性进行验证。结果表明：本文所提出的贝叶斯可靠性分析方法能够为小子样场合下,考虑不确定性因素影响时可修系统的可靠性评估问题研究提供一种值得参考的方法。     

Non-random vibration analysis for general viscous damping systems

The authors recently developed a kind of non-probabilistic analysis method, named as ‘non-random vibration analysis’, to deal with the important random vibration problems, in which the excitation and response are both given in the form of interval process rather than stochastic process. Since it has some attractive advantages such as easy to understand, convenient to use and small dependence on samples, the non-random vibration analysis method is expected to be an effective supplement of the traditional random vibration theory. In this paper, we further extend the non-random vibration analysis into the general viscous damping system, and formulate a method to calculate the dynamic response bounds of a viscous damping vibration system under uncertain excitations. Firstly, the unit impulse response matrix of the system is obtained by using a complex mode superposition method. Secondly, an analytic formulation of the system dynamic response middle point and radius under uncertain excitations is derived based on the Duhamel's integral, and thus the upper and lower response bounds of the system can be obtained. Finally, two numerical examples are investigated to demonstrate the effectiveness of the proposed method.