Cost Engineering – The new paradigm for space launch vehicle design

The paper describes the basic definition and application of 'Cost Engineering' which means to design a vehicle system for minimum development cost and/or for minimum operations cost. This is important now and for the future since space transportation has become primarily a commercial business in contrast to the past where it has been mainly a subject of military power and national prestige. Several examples are presented for minimum-cost space launch vehicle configurations, such as increasing vehicle size and/or the use of less efficient rocket engines in order to reduce development and operations cost. Further a cost comparison is presented on single-stage (SSTO)-vehicles vs. two-stage launchers which shows that SSTOs have lower development and operations cost although they are larger, respectively have a higher lift-off mass than two-stage vehicles with the same performance. The design of a space tourism-dedicated launch vehicle is an extreme challenge for a cost-engineered vehicle design in order to achieve cost per seat not higher than $50,000. Finally an outlook is presented on the different options for manned Earth-to-Moon transportation modes and vehicles – another most important application of 'cost engineering', taking into account the large cost of such a future venture.     

RLV再入轨迹机载快速优化

为了可重复使用飞行器再入轨迹机载快速优化的需求,开发一种再入轨迹快速优化算法。根据RLV再入三维轨迹的特点,引入了新的假设,对RLV再入轨迹状态方程进行简化处理,使优化迭代计算量大大减少,在此基础上,使用乘子法对再入终端约束进行处理,然后用共轭梯度法求解优化再入轨迹,最后以美国航天飞机为例计算再入最优轨迹。结果验证该算法在满足约束条件的情况下,具有很快的收敛速度,在不同初始再入条件和终端约束条件下,计算机时一般小于一分钟。该算法具有很好的工程应用前景。     

可重复使用运载器机翼外形优化

研究了有翼可重复使用运载器机翼平面外形参数优化设计问题。在高超声速配平和低速水平着陆性能等约束条件下，利用混合遗传算法和粒子群优化算法来选择最优机翼外形参数，使机翼重量最小化。在已知的不同质心位置下求得相应的最小重量机翼外形。亚声速气动力采用面源法计算，高超声速气动力采用修正的牛顿流理论计算。为了降低计算耗费，使用均匀设计和逐步回归方法建立了低速气动力回归模型。整个优化过程在Matlab集成环境下完成。     

有限元法在光学侧窗热防护设计中的应用

光学侧窗热环境极为严酷,可采用液体对流内冷却技术对光学侧窗进行热防护。以有限元法对光学侧窗温度场进行了分析研究,研究结果表明:该方法计算精度可靠;液体对流内冷却技术能有效起到降温的作用。同时还定量的给出了冷却液用量对结构温度场的影响,为设计的经济可行性提供了保障。     

弹道导弹中段防御的拦截窗口分析

根据弹道导弹中段飞行近似为二体运动的特点，应用二体运动理论分析了弹道导弹中段防御的拦截窗口。假设最低拦截点由拦截弹末段寻的飞行正常工作的最低地面高度决定，最高拦截点由拦截弹投射能力决定，给出了根据当前时刻弹道导弹位置和速度求解拦截窗口的算法。对采用最小能量弹道飞行的弹道导弹，给出了根据射程求解拦截窗口的算法，并对不同射程的最小能量弹道，给出了求解拦截窗口的算例。     

空间交会对接中太阳光照窗口的研究

在空间交会对接过程中，光学测量装置对目标航天器的观测将直接受太阳光照反射强度的影响，空间交会对接必须在满足太阳光照条件的前提下进行，从正常交会对接和异常交会对接两个方面，详细分析了满足目标航天器光照条件的光照弧段和光照窗口问题，并且简要地讨论了地影区对光照弧段和光照窗口的影响，最后通过一个仿真算例，具体说明了光照条件及地影区对交会对接的约束。     

无人机穿越变化风场起飞特性仿真研究

引入和定义了必要的风场特征参数和工程化模型，建立了计及任意变化风场的无人机运动方程，以某型无人机为例，进行了数值仿真计算，并给出了切变风场和微下冲气流同无风情况起飞特性仿真时间历程比较曲线，同时讨论了风梯度的气动效应和对无人机起飞过程的影响。     

箭载SINS快速自对准技术

为适应运载火箭快速发射需求,捷联惯导系统采用自对准技术逐渐取代了复杂的光学瞄准系统。针对初始对准中Kalman滤波器收敛缓慢的问题,提出了基于低通滤波的运载火箭快速自对准方法。该方法基于凝固惯性系自对准算法,采用移动窗双矢量构造方案,实现了自对准实时解算。通过在凝固惯性系间姿态转换矩阵后端引入低通滤波器,降低杆臂效应引起的有害加速度影响,保证自对准精度。该方法不需要进行复杂的Kalman滤波运算,能够快速收敛,工程实现简单。数字仿真和试验数据表明,采用基于低通滤波的凝固惯性系自对准方法可以达到Kalman滤波对准同等级精度的同时缩短对准时间到5min以内,验证了该方法的有效性。     

陆上弹射安全准则仿真分析

基于MATLAB仿真技术,对某型飞机建立起陆上弹射起飞模型,借助该仿真模型分析不同弹射参数(弹射末速度、弹射起飞重量和预置舵偏量等)对飞机弹射起飞安全性的影响。综合考虑各种陆上弹射起飞安全影响因素,提出陆上弹射基本安全准则,构建陆上弹射安全区域。研究分析表明:选取合适的弹射参数,满足弹射条件处于弹射安全区域内,则可确保飞机陆上弹射起飞安全,同时验证了陆上弹射基本安全准则的正确性。     

复杂结构动态分析/试验/设计与计算仿真技术的进展与应用

本文对复杂结构动态分析／试验／设计技术近三十年来的进展,包括有限元建模与组合结构分析、动态特性测试、计算模型修正和振动控制,以及新兴的计算机仿真和计算模型精确度认证等新思想、新技术的进展,进行了综合评述,同时还给出这些新技术在运载火箭和航天器方面的工程应用实例。