返回器飞行管道的快速预测算法

针对返回器回收任务中对安全空域和期望落点的计算需求,提出了基于Koopman算子的飞行管道快速预测算法,给出了搜救直升机安全飞行空域的判定流程。建立了物伞动力学模型,利用Halton采样方法从随机空间中均匀采点,计算得到多条可能弹道;采用Koopman算子的后拉机制,将初始概率密度值与当前状态关联,得到不确定条件下返回器及其分离部件的飞行管道和期望弹道。仿真结果表明,基于Koopman算子的飞行管道快速预测算法在收敛速度和精度上都要显著优于Monte Carlo方法;利用飞行管道计算结果对搜救直升机飞行路线进行规划后,碰撞风险最大降低54%且搜索时间减少70%。飞行管道预测算法已成功应用到嫦娥五号的回收任务中。

颗粒参数对轴对称超声速气固两相流喷管性能的影响研究

为了探究凝相颗粒参数对固体火箭超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,本文使用数值仿真方法,研究了颗粒的粒径、温度、入射角度及入射部位对轴对称超声速两相流喷管性能的影响。采用轴对称RANS控制方程和SST k-ω湍流模型模拟气相流场,颗粒轨迹则利用欧拉-拉格朗日方法计算。通过与文献试验结果对比,验证了数值方法的有效性。结果表明,增强两相之间的能量交互作用,是提高喷管性能的根本原因。减小颗粒粒径、提高颗粒温度、增大颗粒入射角和颗粒入射部位靠近壁面,均能增强两相之间的能量交互作用。其中,颗粒粒径变化对性能的影响最大,达到9%左右;颗粒温度次之,约为3%;颗粒入射角和入射区域对性能的影响较小,分别为1.2%和1.4%左右。

基于路径规划的敏捷卫星姿态机动反馈控制方法

为了避免奇异状态,单框架控制力矩陀螺(SGCMG)操纵律要求框架角进行快速转动,需要消耗较多的能量,并会对SGCMG和卫星系统带来一系列潜在危害。针对该问题,提出基于路径规划和反馈控制相结合的姿态机动控制方法。根据固定时间姿态机动的任务需求,以能量为优化指标,采用伪谱法优化机动路径并回避奇异状态;将最优控制量作为参考数输入,并利用基于系统限制状态的反馈控制方法消除不确定性和扰动的影响。反馈控制基于名义输入进行数值积分得到的预测状态量,并与期望终端状态比较形成控制误差信号。该方法将卫星和SGCMG作为整体规划姿态运动,能够有效避免奇异状态。结合工程实际,在闭环控制仿真中考虑了卫星角速度和SGCMG框架角的初始偏差。仿真结果表明:本文算法能够有限避免奇异状态,且能消除初始姿态角速度和框架角不确定的影响。

滑翔飞行器多目标弹道优化的进化-配点混合求解策略

针对高超声速滑翔飞行器弹道多目标优化问题,综合考虑计算效率和精度,结合分解进化算法与配点法提出一种混合求解策略。根据滑翔飞行器动力学模型和弹道设计中需要考虑的约束条件,建立飞行器多目标弹道优化模型。利用控制量离散化方法将多目标弹道优化问题转化为带约束的多目标参数优化问题,并采用罚函数法处理约束条件,随后利用分解多目标进化算法进行求解。为了提高弹道优化的精度,将椭球聚合法与配点法相结合,以多目标进化算法得到的Pareto解作为初始解进行迭代求解。通过典型的复杂约束多目标弹道优化的算例表明,所提出的混合求解策略能够获得满足复杂约束要求的Pareto最优解集,实现有效的多目标弹道优化。

救生伞背带分系统对假人动载的影响

为了改善救生伞背带分系统的安全性,建立降落伞-背带-假人系统的动力学模型,分析背带及脱离锁参数对假人质心过载的影响。针对救生伞假人高速开伞空投试验,采用多体动力学方法建立降落伞、背带脱离锁和假人的十五自由度动力学模型;采用半质量-阻尼弹簧模型建立背带模型,连接降落伞、脱离锁和假人;利用实测过载计算降落伞开伞力。利用所建立的动力学模型仿真典型状态下假人和背带的动力学响应,验证所建立模型的合理性。分析了脱离锁位置、背带松紧程度、背带材料特性对假人质心最大过载的影响,可用于指导背带设计以及确定最佳的背带脱离锁位置。

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性"半阻尼弹簧"模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,建立开伞过程的流固耦合(FSI)动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆(EDL)过程的概念设计提供了一定的参考依据。

空间绳网二级发射模式动力学分析

借鉴降落伞"先拉出、后展开"思想,提出一种空间绳网二级发射模式,并建立了数值仿真模型。该发射模式将绳网拉出展开过程分解为拉出和展开两个步骤,进行分步控制,保证了绳网规则、有序地拉出,避免了绳网拉出展开过程中的缠绕、穿透和打结等问题。将数值仿真结果与地面试验数据进行对比,验证了该模型的有效性和可用性。空间绳网二级发射模式的提出与仿真模型的建立为空间绳网发射优化设计提供了一种参考途径。

空间飞网系统牵拉模式影响研究

针对空间飞网系统任务设计需求,研究飞网牵拉模式对系统展开性能的影响。建立空间飞网系统拉出展开过程动力学模型,并通过地面试验对比验证了模型的有效性。面向任务需求建立空间飞网系统评价指标,针对四、六点牵拉模式,采用有限绳段方法对飞网系统进行建模仿真。模型中保持绳网质量和初始发射能量一致,对评价指标的分析结果表明,在六点牵拉模式下,飞网系统飞行性能指标和力学性能指标有明显提高,但能量利用率和系统可靠性小幅下降。

翼伞系统5段归航轨迹优化研究

为实现翼伞系统精确空投和方便归航过程下拉操控,需对翼伞归航轨迹分段处理并优化。建立翼伞系统高精度9自由度动力学模型,通过数值分析得到稳态滑翔比以及转弯角速率限值。以耗能最小为目标函数,耗时和转弯半径为输入变量,建立5段归航轨迹优化模型。将5段归航轨迹作为初始条件,利用伪谱法进行轨迹优化,给出归航最优参考路径,并对比分析了5段归航与直接归航过程能量损耗。仿真结果表明,所提出的5段归航轨迹优化策略,具有其控制量函数形式简单、便于应用的优点。

动力翼伞系统拟坐标形式的多体动力学建模

精准的翼伞空投着陆需要更接近实际的动力学模型。采用拟坐标形式的Lagrange方程,提出反映翼伞连接方式和相对运动的翼伞多体动力学建模方法。针对翼伞系统稳定飞行的运动特性,将其处理为伞衣、伞绳和载荷等多刚体系统。利用多项式形式表示伞衣下拉后缘时的气动力,附加质量影响处理为等效力,各体平动速度和角速度作为拟坐标,建立无约束形式的多体动力学方程。以某小型翼伞系统为例,仿真分析了单刚体和多刚体模型在下拉后缘、突风扰动和不同吊挂模式下伞衣与载荷的运动特性。仿真结果表明,所建模型有效反映了翼伞系统的相对运动,可通过改变连接方式提高载荷运动的稳定性。

采用小弹性模量方法的空间飞网构型优化设计

飞网构型设计对提高空间飞网系统的展开抓捕性能具有重要意义。用小弹性模量分析方法对空间飞网构型优化设计问题进行研究。以绳网中内力分布均衡性为优化目标,选取飞网抛射过程中最大受力时刻为研究工况,赋予绳索单元极小弹性模量,进行静力学计算,并以变形后的结果为初始条件进行迭代分析。优化结果表明,绳网中的内力分布随迭代步数的增加而更趋于均匀。在不改变绳网拓扑结构的前提下,所建立的优化设计方法为空间飞网构型优化设计提供了一种参考途径。

基于区间样条小波的太阳帆轨迹优化算法

针对太阳帆轨迹优化问题,提出了一种基于区间样条小波的新颖数值算法。首先推导了太阳帆航天器的轨道动力学方程并提出了优化目标函数,然后提出了基于区间样条小波函数及其导数算法的最优控制直接数值法。该优化算法的核心是基于区间样条小波函数及其导数算法,在小波配点上将状态与控制变量作离散化处理,进而可利用小波函数有效逼近带有突变的优点,提高了求解以小波系数为参数的非线性规划问题的计算精度和效率。对典型的地球-水星之间的太阳帆轨道优化问题的仿真结果表明,基于小波的数值解法优于半解析法。

基于多柔体动力学的飞行器多目标优化设计

研究了柔性航天器总体设计中基于结构与姿态控制的多目标优化问题。利用拉格朗日方程建立了刚柔耦合系统动力学模型,提出以附件质量和微分矩阵最大实特征值为目标函数的多目标优化问题;采用非支配排序进化求解算法(NSGA-II),对某柔性航天器进行了多目标优化分析设计;最优决策为具有一定规律性的空间曲线,该优化结果对柔性卫星的总体分析设计具有一定的指导意义。

基于MOEA/D的柔性结构燃料—时间多目标优化控制研究

利用基于分解的多目标优化算法(MOEA/D)研究了柔性航天器多目标优化的rest-to-rest机动问题。基于空间飞行器刚柔耦合动力学方程,提出了最小时间—最少耗能的多目标优化控制模型;给出了基于MOEA/D的算法框架,并对柔性飞行器空间机动问题进行了多目标优化控制的分析设计;典型算例表明该算法可有效地应用于柔性航天器姿态机动控制器的分析设计之中。

网格质量反馈的弹性体动网格改进

高鲁棒性的动网格变形方法是求解包含运动边界的非定常流场问题的关键技术。基于经典的弹性体动网格方法,引入两种设计合理、评价效果较好的网格质量参数——Patrick参数和Baker参数,提出了一种基于网格质量反馈的改进弹性体动网格方法。结合二维NACA0012翼型、三维ONERA M6机翼大角度俯仰运动,对比研究改进方法与经典方法的变形能力,改进方法能够保持较好的网格质量,尤其在最大变形时,可以有效改善较差网格单元,具有更高的鲁棒性。计算了NACA0012翼型、ONERA M6机翼的俯仰振荡绕流,并与实验结果及文献进行对比,结果表明,基于网格质量反馈的改进弹性体法能够显著提高变形网格的鲁棒性,可为非定常流场问题的求解提供有力支撑。

柔性空间结构时间-燃料多目标优化控制研究

针对柔性航天器的rest-to-rest机动问题,研究了基于最小时间-最少耗能的多目标优化开环控制问题。提出了空间柔性结构最小时间-最少耗能的多目标优化控制模型;然后采用非支配排序进化求解算法(NSGA-II),对某柔性结构进行了多目标优化控制的分析设计;通过典型算例证明了本文算法的正确性和有效性,并可应用于柔性航天器姿态机动控制器的分析设计之中。

柔性航天器动力学建模及模型降阶研究

针对柔性航天器振动影响飞行器姿态稳定性和精度。为了解决上述问题,提出了多柔体航天器的动力学建模。首先,根据工程实现的假设振型法,采用拟坐标拉格朗日方程,推导出带有刚体模态的二阶系统刚柔耦合动力学模型,其中,为了减少模型计算量,通过坐标变换将刚体模态和柔性模态解耦,利用一种刚体模态解耦的二阶不稳定系统的模型降阶方法,并对航天器多柔体系统动力学方程进行了仿真分析,结果飞行姿态稳定,满足了精度要求,表明了动力学建模与模型降阶法的有效性和正确性。

几何约束的改进弹性体网格变形方法研究及应用

针对现有弹性体网格变形方法无法有效抑制网格单元出现"负体积"和过度畸变等问题,引入体积弹性模量约束和挤压弹性模量约束,提出一种基于几何约束的改进弹性体法。借助Patrick网格质量参数,选取三维长方体边界在旋转、平移和伸展变形三种方式下的大幅度运动,对比研究引入几何约束后的改进效果。仿真计算二维NACA0012翼型的俯仰振荡和三维伸缩翼变形过程的气动特性,结果表明:基于几何约束的改进弹性体法显著提高了变形网格的鲁棒性,尤其在大变形时能够有效约束较差网格单元,改善经典方法存在的问题,可为非定常流场问题的求解提供有力支撑。