可重复使用空间飞行器的飞行控制

分析了空间飞行器飞行控制系统要解决的问题 ,空间飞行器的发展过程 ,各类空间飞行器飞行控制系统设计目的和主要特点 ,可重复使用的发射飞行器飞控系统的主要设计要求 ,在设计要求的确定 。

重复使用飞行器分布式连接结构振动及疲劳研究

准确计算重复使用飞行器与发动机之间分布式连接结构的振动特性及疲劳寿命是确保航天运输系统安全运行的前提和基础。以分布式连接结构为研究对象,用实验验证了有限元仿真方法的可行性,从时域和频域探究了分布式连接结构的振动特性,计算了不同工况下分布式连接结构的疲劳寿命。研究结果表明,连接结构滞回曲线的有限元结果与实验结果吻合较好;在不同激励频率的循环载荷作用下,连接螺栓发生应力增长或应力衰减,出现疲劳效应;分布式连接结构在第1、第5阶固有频率处激发较大的响应;降低激励幅度能够极大延长连接结构疲劳寿命,增大螺栓预紧力也能够延长疲劳寿命,但增大激励频率只能够稍微缩短时间寿命,周期寿命仍在同一量级上;引入热和蠕变影响之后,分布式连接结构最多只能承受5次热循环载荷。

可重复使用飞行器用低密度烧蚀防热涂层研究

通过简便、高效的方法合成了硅氮化合物,以此为固化剂,分别完成了轻量化组元和烧蚀维形组元研究,最终获得了热稳定性优异、高温下尺寸稳定性高、抗烧蚀性能好的可重复使用飞行器用低密度防热涂层。结果表明,该防热涂层经过有限次静态烧蚀,密度、质量保留率均趋于稳定,力学性能能够满足使用需求。涂层经过高达10次石英灯烧蚀考核,防隔热性能无下降;经过5次风洞烧蚀考核,防热涂层抗烧蚀、防隔热性能无下降,进一步证明该种防热涂层经过有限次重复使用,仍能够对飞行器起到良好的热防护作用。

可重复使用飞行器地面系统超融合设计及应用

针对可重复使用飞行器地面系统应用要求和现行方案存在的问题,改变各分系统独立设计思路,将地面系统作为一个整体,将其广义的各类计算机抽取出来,进行超融合设计,通过软件定义硬件和服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、显控桌面化,可实现根据各分系统任务需要,进行计算机资源的灵活分配和动态调度,以虚拟机、云桌面的形式供各分系统使用,简化了地面系统的配置和部署,实现了地面系统的通用化、简易化、便捷化、可配置化、高可用性;与各分系统独立设计方案应用对比和性能测试表明,地面系统超融合设计减少了IT设施32%,缩短了部署时间52%,降低了运维复杂度60%,可用性达到了99.9%以上,服务延迟率低于44%,并可实现灵活配置,能适应不同型号的可重复使用飞行器应用。

气体引射对临近空间升力体飞行器气动力热影响

针对临近空间高速飞行器的降热减阻需求,采用三维数值模拟手段研究了临近空间典型升力体飞行器气动力/热特性,分析了壁面气体质量引射对气动力/热特性的影响规律和作用机理。结果表明:壁面质量引射会略微增大激波脱体距离,对激波层和速度边界层有增厚作用,降低了边界层内的速度梯度,使得表面剪切力减小,从而具有较好的减阻效果。对于典型的升力体构型,在高度为60~70 km时,壁面质量引射减阻效率均不低于47.5%;在高度为80 km时,壁面质量引射减阻效率不低于10.2%;且壁面质量引射减阻效果随攻角增大而增强,随飞行高度升高而减弱。同时,壁面引射排出的低温气体对飞行器具有隔热保护作用,因此壁面质量引射能显著降低迎风面的热流,具有较好的降热效果。

基于空间目标定向观测的飞行器导航方法研究

本文主要研究基于定向观测星相机和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合的飞行器高精度导航方法.在已有导航方式中,惯性导航系统(inertial navigation system, INS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)组合导航在无线电信号拒止环境中存在性能下降的风险,传统INS/天文导航系统(celestial navigation system, CNS)组合导航能够抑制惯性测量单元中的陀螺漂移,但不能有效消除加速度计零偏的影响.针对上述问题,提出一种基于空间目标定向观测的飞行器自主导航新方法,在飞行器上配置星相机对星历已知的空间目标和背景恒星的视线方向(line-of-sight, LOS)进行观测,利用IMU进行状态预测,通过扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter, EKF)获得载体位置、速度和姿态的估计值,同时,对惯性器件测量偏差进行校准.设计了基于克拉美劳下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB)的观测目标优化选取策略,通过空间目标可见性分析、导航系统可观度分析以及导航滤波器数学仿真验证了所提方法的有效性.

美国可重复使用再入飞行器Model 176设计特点分析

可重复使用再入飞行器技术是航天领域的竞争热点,已成为世界航天强国发展战略中的重点。早在20世纪50—60年代,人类就已经开始了对重复使用运输系统相关技术的探索。本文介绍了20世纪50—60年代美国研究机构提出的多种可重复使用再入飞行器,重点分析了设计性能最为优越的Model176的气动和结构方案。分析结果表明,Model176采用可变机翼构型,在高超声速段升阻比达到3.5,亚声速段升阻比达6.5,远超其他类型再入飞行器,拥有优越的航向范围和横向范围,理论上可以从任何太空轨道再入在美国本土水平着陆;Model176在结构方面采用完整的全金属结构和热防护系统,与陶瓷和碳-碳材料重量(质量)相当,且结构强度更高。Model176作为一款性能优越的可重复使用再入飞行器,能为我国可重复使用高超声速技术研究提供一定的参考价值。

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。

旋翼飞行器飞行人员空间定向障碍研究进展及展望

空间定向障碍(spatial disorientation,SD)的发生率较高,对飞行安全构成了重大威胁。目前对于旋翼飞行器飞行员在空间定向方面的研究相对较少,在领域内缺乏足够的关注。与固定翼飞行器飞行员不同,旋翼飞行器飞行员面临的空间定向障碍具有明显的特点和不同的挑战。在过去的百年中,通过模拟训练旋翼飞行器飞行员可以有效地减少空间定向障碍相关的飞行事故。这方面已经取得了长足的进展。随着虚拟现实技术和人工智能的迅猛发展,这一方法在未来仍有许多值得关注的领域。近些年,研究人员从认知形成过程的角度探究空间定向障碍的发生机制,为其预警提供新的针对性靶点。从此类人员空间定向障碍发生特点、针对性模拟训练和发生机制三方面回顾相关研究进展并展望未来探索方向,对有效降低相关空间定向障碍的发生率以及导致的事故率具有重要的军事意义。

考虑输入饱和的空间飞行器姿态神经鲁棒自适应滑模控制

针对空间飞行器姿态跟踪控制过程中出现的执行器饱和、模型不确定性和未知外部扰动问题,提出了一种鲁棒自适应径向基函数神经网络(RBFNN)增强滑模控制方法。首先,基于四元数法建立空间飞行器姿态运动学和动力学模型,并针对未知外部扰动建立非线性扰动观测器。其次,为了解决执行器饱和问题,引入高斯误差函数对控制器幅值进行约束,并以PID滑模控制为框架,对控制器进行设计。在控制器设计过程中,利用新型切换函数将鲁棒自适应控制和RBFNN进行结合,对模型不确定性进行逼近,并利用梯度下降法解决RBFNN权值优化问题。随后,基于Lyapunov理论证明闭环系统的有界性,并分析了闭环系统的收敛域。最后,通过仿真分析验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。

一种新的空间飞行器机动规避策略

针对空间飞行器和具有潜在威胁运动体碰撞交会的场景,提出了一种基于遗传算法优化,并结合BP神经网络预测的空间飞行器机动规避策略。该算法区别于传统碰撞交会末段的机动策略,在完成预警探测之后即进行机动策略选择,扩大了时间和空间范围。其以双方位置和速度为输入参数,机动时刻、机动方向和机动时长为输出参数,脱靶量和燃料消耗为性能指标。数值仿真结果表明,相比于瞬时机动策略,该策略有效地降低了燃料消耗,增大了脱靶量,提高了机动规避成功的可能性,为空间飞行器遭受威胁时的安全防护技术提供了新思路。

日本可重复使用空间自由飞行器在轨应用成果斐然

概述日本可重复使用的实验观测两用空间自由飞行器的主要设计特点，分析了在轨应用取得的成果，介绍了第二次飞行计划。

空间飞行器的指向误差混合分布模型

在空间探测任务中,飞行器会受到机械冲击、跟踪噪声等因素的影响发生角微振动,使天线指向误差恒不为0,从而影响通信链路.针对典型的指向误差单一分布模型如高斯分布、瑞利分布和莱斯分布忽略多种误差源共同影响的缺点,提出指向误差混合分布模型,将多种误差源同时考虑在内,极大地提高了模型的准确性.首先,根据多个空间飞行器奥林巴斯通信卫星OLYMPUS、工程测试卫星ETS-VI、光学轨道间通信工程试验卫星OICETS和量子科学实验卫星MICIUS角微振动信号的功率谱密度拟合指向误差信号.然后,对比单一分布模型和混合分布模型与指向误差拟合信号的确定系数R^(2),确定最优分布模型.结果表明:由高斯分布和莱斯分布组成的混合分布模型拟合度最高.以OLYMPUS飞行器为例,高斯-莱斯混合分布模型的拟合度比单一分布模型中的瑞利模型提高27.44%,误比特率偏差降低2.87 dB.

攻角对临近空间飞行器侧喷射流红外辐射特性影响数值模拟

临近空间飞行器侧喷射流干扰效应对目标红外辐射特性规律影响受到广泛关注。文中以典型锥柱裙飞行器为研究对象,预测飞行器典型飞行工况(20 km@5 Ma)不同攻角下的绕流场、侧喷流和壁面温度,结合窄谱带模型处理高温气体辐射物性参数,采用视在光线法求解辐射传输方程,分析攻角对侧喷流的复燃及目标在不同谱带和不同观测角度下红外辐射特性的影响。结果表明:随着攻角由负转正射流复燃程度降低,α=10°较α=-10°偏低176%;侧喷流在2.7μm和4.3μm两个特征峰值波段辐射显著,其他波段内目标辐射主要来源于本体;目标辐射强度在俯视观测角度下随攻角由负转正而减小,在侧视观测角度下攻角出现引起辐射强度降低,α=±10°较α=0°偏低6.8%。该研究可为临近空间飞行器侧喷射流相关的目标特性识别提供理论参考。

空间飞行器轨迹优化与控制技术发展现状与展望

空间飞行器轨迹优化与控制技术可通过优化设计飞行过程中的控制律,来提高飞行器总体性能,在航空航天领域具有极高的发展潜力和应用价值。围绕该研究方向,概述了近年来国内外的主要研究成果和最新研究进展。重点关注了针对建模方法的研究以及针对求解方法的研究这两个方向,以及新兴的人工智能方法。在此基础上,重新梳理了空间飞行器轨迹优化与控制方法的理论体系,重点分析了各类典型方法的优缺点以及最新的代表性成果。结合其研究历程以及现有技术优势,对空间飞行器轨迹优化与控制方法的未来发展趋势进行了展望,指出未来空间飞行器轨迹优化与控制技术将朝着通用化、智能化、数据化、实时化的方向发展。

可重复使用飞行器归一化复合控制系统设计

以可重复使用飞行器(RLV)的姿态控制系统为研究对象,提出一种基于归一化方法的新型复合控制系统设计方法。对RLV三自由度姿态动力学模型中的气动控制量和反作用控制系统(RCS)控制量分别进行归一化处理,建立RLV复合控制的归一化模型。在此基础上,通过对归一化模型的输入矩阵中同种执行机构控制阈值的设计,获得两种异类执行机构复合控制的切换条件,并进一步修正了归一化复合控制模型。基于积分型终端滑模控制方法,设计了可重复使用飞行器的复合控制系统,并采用广义逆的方法,直接将控制分配融合到控制律的设计中来,实现控制律和控制分配的一体化设计,不需要优化算法,减少了控制系统的计算量。最后,对可重复使用飞行器姿态控制系统进行数学仿真,不仅校验了采用归一化方法设计的复合控制系统的有效性,而且与采用线性规划优化控制方法具有相同的姿态控制效果。

可重复使用飞行器热走廊物理建模研究

对再入热走廊的物理含义进行了定义分析,为使防热层温度不超过热防护系统所允许使用的极限温度,可重复使用飞行器的飞行轨道必须在再入走廊热之内。建立了可重复使用飞行器再入热走廊的物理模型,给出该物理模型下热走廊的控制方程和求解方法。通过对航天飞机轨道器典型位置的再入热走廊与传统方法的验证分析,说明本文建立的可重复使用飞行器再入热走廊物理模型和求解方法是正确的,同时探讨了表面材料承受温度和发射系数对热走廊的影响规律。

X-37B轨道试验飞行器可重复使用热防护系统综述

热防护系统是可重复使用航天器的核心部分,X-37B轨道试验飞行器的成功试飞,突破了可重复使用热防护系统的技术瓶颈。文章对X-37B热防护系统进行了介绍,对鼻锥、机翼前缘、机体迎风面及背风面等部位热防护材料的技术方案、性能参数、制备方式及验证情况进行了概括,同时,总结了X-37B热防护系统的设计经验,可为我国可重复使用航天器热防护系统设计及研究工作提供参考。

基于Dueling DQN的临近空间飞行器再入轨迹规划

针对临近空间飞行器再入段禁飞区规避制导问题,构建了临近空间飞行器再入过程横侧向制导的马尔可夫决策过程(Markov decision process,MDP)模型。基于竞争深度Q网络(dueling deep Q network,Dueling DQN),设计了横侧向制导律及满足射程需求与禁飞区规避需求的再入过程奖励函数。经仿真验证,该横侧向制导律能够通过改变倾侧角符号实现禁飞区规避,并导引飞行器到达目标区域,具备较高精度,验证了方法的有效性。

可重复使用飞行器再入控制系统设计

本文首先分析了可重复使用飞行器的控制结构,然后提出了一种智能变结构控制器,它可以使可重复使用飞行器控制系统克服现有方法的缺陷,无需大量的增益调节,而能自动适应非线性和强耦合的对象特性,并能适应大范围环境变化,减小对不同飞行条件下气动与结构参数的依赖性,自动补偿不确定因素和扰动的不利影响。最后通过simulink建模对控制系统进行了内外两回路协同仿真,验证了此控制系统能很好地跟踪输入,并且较好地解决了存在于变结构控制系统中抖振问题。