航空航天复合材料结构健康监测技术研究进展

通过在线监测结构响应,实时掌握结构的健康状况,并在此基础上对可能发生的损伤和故障进行预报,以便能及时采取措施,保证复合材料结构的服役安全。综述了几种重要的结构健康监测方法的研究进展、应用场合与发展历程,包括:全局状态感知技术(光纤传感监测法)、全局损伤诊断技术(波传播损伤诊断法)、局部损伤诊断方法(机电阻抗监测法、真空比较监测法、智能涂层法等),讨论了复合材料结构健康监测传感器的安装方法。结合各种技术的发展历程和优缺点展望了航空航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势。

大型航天结构在轨组装阶段作动器布局优化

在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点,组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同,如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题,提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式优化配置方法.根据结构模块化设计的特点,给出大型航天结构组装阶段作动器分布式优化配置的设计思路.建立面向组装阶段作动器布局优化的桁架结构动力学模型,并给出用于优化配置的目标函数.提出结合天牛须搜索的改进粒子群算法,以解决优化配置问题.最后给出在轨组装阶段作动器布局优化的数值仿真.结果表明通过改进的混合粒子群算法实现了大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式最优配置.

自由节点差分法寻点策略研究及验证

混合网格具有良好的贴体性,适用于Navier-Stokes方程的计算,但在网格交界面处需要通过插值进行流场信息交换,而这一过程会引入误差。陈洁等提出了一种适用于无序网格点的自由节点差分计算方法,该方法可对重叠网格交界面流场进行差分计算,无须采用插值方法进行流场信息传递,解决了插值方法引入误差的问题。但该自由节点差分法的计算模板需要从中心点周围的点云中选择网格点构成,不同选点策略对计算结果的影响不同。针对自由节点差分法的选点需求,本文综合考虑角度、正交性、距离等因素,提出了几种不同选点策略,并利用数值实验进行了验证。结果表明,本文提出的选点策略符合自由节点差分法的构造思想,均能获得稳定的收敛解,其中模板点与中心点距离对计算精度影响最大,是选点策略的首要影响因素。

求解最优控制问题的混合变量变分方法及其航天控制应用

针对非线性最优控制导出的Hamiltonian系统两点边值问题,提出一种以离散区段右端状态和左端协态为混合独立变量的数值求解方法,将非线性Hamiltonian系统两点边值问题的求解通过混合独立变量变分原理转化为非线性方程组求解.所提出的算法综合了求解最优控制的"直接法"和"间接法"的特征,既满足最优控制理论的一阶必要条件,又不需要对协态初值的准确猜测,避免了求解大规模非线性规划问题.通过两个航天控制算例讨论了本文算法的精度和效率等问题.与近年来在航空航天控制中备受关注的高斯伪谱方法相比较,本文算法无论是在精度还是效率上都具有明显的优势.

多阶段任务装备体系作战效能评估及灵敏度分析

信息化战争背景下,战场形式瞬息万变,战场装备体系复杂程度越来越高,仅仅对装备体系或单装备的作战效能进行评估已无法满足战场效益的稳定性。为此,从装备体系作战使命的阶段任务出发,基于作战环理论,提出了便于掌控战场局势发展的多阶段任务装备体系作战效能评估模型及评估指标的灵敏度分析方法。首先,基于阶段任务分析了各层级指标与上级能力指标之间的关系,确定了装备体系作战效能的指标聚合模型;其次,通过对评估指标改变相应比例的扰动量,考察了装备体系作战效能评估结果相对于评估指标改变量的变化情况,确定了各评估指标对于装备体系作战效能的敏感程度大小并排序。最后,以某次对抗演习为例,应用本文中所提方法,分析了各评估指标相对于装备体系作战效能的敏感程度,并通过与各位专家的灵敏度均值对比,验证了本文中所提方法的可行性和有效性,为指挥人员掌控战场局势提供辅助指导。

航天器舱体热密封结构多物理场耦合数值分析方法研究

综合考虑航天器舱体外围高超声速流动、密封带及舱体结构传热以及密封结构内部的空腔流动传热,提出航天器高温热密封结构的瞬态多物理场耦合分析方法。利用改进型Van Driest变换方法进行高超声速流动环境预测,基于高斯-赛德尔分块迭代耦合方法完成一体化耦合计算方法。采用包含不同材料结构部件的复合结构,计算了0-200 s内有无密封塞两种情况下的各部分结构的瞬态热传导过程。结果表明,密封塞的使用可显著降低空腔内的最高温度,瞬态变化情况的考虑更加准确地反映了各部分结构部件及内部空腔的温度变化情况。该文的计算方法可广泛应用于航天器热密封结构的传热特性分析,可为火箭等航天器上的高温密封部件设计提供有效的数值分析工具。

航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。

迎风格式在接触间断的数值耗散及其诱导误差

在不同流场参数条件下对三种迎风格式在接触间断中的数值耗散问题进行了数值实验,并对数值耗散产生的机理进行了分析。数值计算结果和理论分析表明,矢通量分裂格式计算接触间断问题时,若流场静止或流场内存在亚声速区域,密度耗散的产生会诱导出以特征速度运动的数值扰动误差,该误差对数值耗散的大小无影响,但会影响流场的速度及压力参数分布,从而改变流场的结构。在二维问题中,诱导误差相互干扰会产生大量的复杂小尺度结构,给流场结构分析带来困难。同时,在密度参数线性分布的流场中,若空间离散格式重构的对象为对流通量,使用矢通量分裂格式计算流场会产生数值误差,使计算精度难以到达二阶。

改进高斯云模型及其在装备保障体系能力评估中的应用

针对云模型在评估方法使用过程容易出现雾化特性差、评估结果不能直接使用的问题,提出一种改进的高斯云模型。该模型针对相同指标的专家评估结果,利用相似关系矩阵对专家进行聚类并赋权,求解每类专家的评估高斯云模型,并将其与权重结合形成该评估指标的评估云模型;综合所有指标的评估云模型形成综合评估云;将综合评估云与云标尺进行比对得出评估结果。运用该方法对装备保障体系能力进行评估,并与传统云模型所得评估结果进行对比,证明了改进高斯云模型的可行性和有效性,为其在评估方法中的运用提供参考。

考虑不确定性情况下的故障树重要度分析方法及应用

为了度量底事件发生概率不确定性对顶事件的影响程度,在建立故障树概率组成函数的基础上,基于矩独立重要性测度提出了考虑底事件发生概率不确定性情况的故障树重要度分析方法。以某飞机结冰探测系统为例,利用所提出的重要度方法分析了底事件发生概率不确定性对该系统故障的影响程度,设计者可根据重要度结果更有针对性地开展分析与设计,同时也验证了所提方法的合理性。

接近非合作目标的航天器相对轨道有限时间控制

针对快速接近非合作目标航天器任务,提出了一种基于观测器的相对轨道有限时间控制算法.首先,基于非奇异的终端滑模技术,设计了一种有限时间控制器.该控制器可使追踪航天器与目标航天器的相对位置和速度在有限时间内达到期望值.其次,考虑到非合作航天器的逃逸机动,在控制器中引入了一种有限时间观测器,该观测器可在有限时间内估计出目标的逃逸加速度,从而保证闭环系统的全局有限时间收敛.最后,通过数值仿真验证了该控制算法的有效性.

柔性航天器姿控执行机构微振动集中隔离与分散隔离对比研究

姿控执行机构高速旋转诱发的微振动会降低柔性航天器姿态稳定度。为实现高稳指向,文章研究了姿控执行机构的集中隔振与分散隔振技术。首先建立包含隔振器的柔性航天器姿态动力学模型;然后仿真研究航天器在作大角度机动和稳定控制两种工况下,姿控执行机构的两种隔振方案的性能,并进行了对比分析。研究结果表明:航天器进行大角度机动时,对于高刚度隔振器,两种隔振均具有稳定性,并且指向控制性能相似;对于低刚度隔振器,集中隔振较分散隔振容易失稳;在稳定控制工况下,对于高刚度隔振器和低刚度隔振器,两种隔振性能基本一致。

J2摄动下基于平均轨道要素差的集群航天器空间圆形编队设计

集群航天器是通过无线连接方式构成的虚拟航天器系统,考虑J2摄动下其在太阳同步轨道的空间圆形编队设计,对满足其模块间能量传输、数据交互的需要和应用需求具有重要意义.基于主、从模块平均轨道要素差建立了相对运动模型,并给出了空间圆形编队的详细设计步骤;在零J2摄动条件不再适用时,通过定量分析J2摄动对该编队构形的影响,提出了相应的修正公式;将模块修正后的平均轨道要素转换为初始时刻密切轨道要素确定了初始编队构形.采用无奇点的新四元数轨道要素进行J2摄动分析,仿真结果验证了设计方法的有效性.

利用改进TW-API方法在轨辨识挠性航天器时变模态参数

考虑大型挠性部件运动导致的在轨航天器模态参数时变特性,提出一种改进的截断窗逼近幂迭代(TW-API)追踪方法。针对传统TW-API方法计算量较大的问题,改进的方法简化了数据处理中的矩阵递推过程,显著减少了在轨辨识过程的计算量和计算时间。还将该方法与经典投影估计子空间跟踪(PAST)方法和逼近幂迭代(API)递推方法进行了计算量对比与分析。为检验四种方法用于航天器模态参数辨识的效果,选取ETSVIII卫星为对象进行数值仿真。通过实际计算时间的比较,校验了改进TW-API方法在大型挠性航天器时变模态参数在轨辨识方面的有效性。

航天器微振动一体化建模与控制研究

为实现航天器载荷的高精高稳控制,研究了航天器微振动一体化集成建模与控制方案。首先,根据航天器典型微振动源构建航天器本体微振动的动力学与控制集成模型,并对其进行姿态控制仿真。然后进一步构建包含载荷-本体隔振界面的航天器微振动集成动力学与控制模型,为比较分析被动控制隔振与主被动控制隔振,分别仿真了对载荷被动隔振以及主被动混合隔振两种方案下的姿态控制。结果证实主被动控制混合隔振可有效提高载荷姿态精度和稳定度2个数量级,实现了航天器载荷的高精度高稳定度控制。

大角度机动下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识

针对大角度机动情况下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识的问题,提出一种将转动惯量参数估计和挠性附件状态估计相结合的并发递推算法。该算法以大角度机动情况下带挠性附件航天器的非线性动力学模型为基础,分别利用广义卡尔曼滤波做挠性附件振动模态的状态估计,最小二乘法做转动惯量的参数估计。最后通过并发递推算法将二者结合,完成了带挠性附件航天器的转动惯量参数辨识。为了提高算法的效率,采用一步最小二乘、多步广义卡尔曼滤波并发递推的算法。仿真结果表明,该辨识方法兼具高精度、高效率,并且算法有一定的抗干扰能力。

一种改进的航天器时变模态参数递推辨识方法

针对基于预测器的递推子空间辨识(RPBSID)方法在估计系统的状态变量时计算量较大的问题,提出一种改进的RPBSID方法并应用于航天器的时变模态参数辨识。与原算法相比,改进后的方法在求解状态量时不需要逐个时刻构建相应的Hankel矩阵,而是利用仿射投影算法(APA)实现状态量的递推估计,从而减少了辨识过程中的数据量。在此基础上,利用该状态变量递推得到时变系统的状态空间模型和模态参数。在数值仿真中,建立带有大型挠性附件的卫星动力学模型,分别考虑系统模态参数线性变化、突变和周期改变的情况,利用改进的RPBSID方法对结构的时变频率和阻尼比等参数进行了辨识。理论分析和数值仿真的结果表明这种改进的方法不仅能够有效地辨识系统的时变模态参数,而且与原方法相比具有更高的计算效率。

考虑动力刚化的挠性航天器的动力学建模与分析

本文以含有挠性太阳能帆板的卫星为研究对象,建立了考虑动力刚化效应的刚柔耦合动力学模型,并与传统的线性模型进行了对比。首先,通过Hamilton变分原理建立了考虑动力刚化效应的挠性卫星的姿态运动和结构振动的偏微分方程;之后,通过假设模态法对偏微分方程进行离散,得到离散化后的线性模型和动力刚化模型;最后,给出了某些特定外界激励下两种模型动力学响应的数值仿真结果。仿真结果表明,动力刚化效应将对卫星的柔性结构振动产生较大影响;在一定的外界激励下,采用线型模型的计算结果与动力刚化模型的计算结果之间存在较大偏差。

组合体航天器角速度信号深度学习降噪方法

服务航天器与非合作目标构成组合体航天器后,实际测量的角速度信号往往掺杂了较大噪声,这会严重影响后续控制的精度,但由于非合作目标惯性张量未知,导致无法根据模型信息对其有效降噪.针对上述问题,本文基于深度学习方法提出一种无需预先构建模型、完全由数据驱动的组合体航天器角速度信号降噪方法.首先给出采用深度学习方法对角速度进行降噪所需训练数据的生成过程;然后构建组合体航天器角速度信号降噪的深度网络模型,并提出该模型的优化方法和参数初始化方法;最后用测试数据对本文方法和小波降噪方法的降噪效果进行了比较,结果表明本文方法与小波降噪方法相比具有更好的降噪性能.

航天器周期时变模态参数闭环在轨辨识的子空间方法

考虑在轨闭环航天器的参数辨识,利用子空间方法辨识大型闭环航天器的周期时变模态参数和控制器的增益参数.讨论了反馈控制器增益矩阵在状态空间方程中的坐标变换情况.利用该方法对所建立的ETS-Ⅷ卫星模型的模态参数和控制器增益参数进行辨识,通过验证闭环系统的响应值,说明该方法在航天器的模态参数闭环辨识中是有效的.