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。

可重复使用飞行器进场着陆拉平纵向控制

针对可重复使用飞行器(RLV)进场着陆拉平段的纵向控制问题,提出了反馈控制与前馈控制相结合的复合控制策略。设计反馈控制律参数,在此基础上基于时间加权高度跟踪误差/误差变化率平方积分指标优化设计前馈控制律参数。按输入补偿的前馈控制在不影响系统稳定性的前提下,提高了RLV对拉平着陆轨迹的跟踪精度,减小了RLV的接地散布。提出了基于积分器初值的控制律平滑切换方法,实现了RLV起落架释放前后不同控制律之间的平滑切换。仿真验证了拉平纵向复合控制和拉平过程中不同控制律之间平滑切换方法的有效性。

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。

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。

日本与欧洲可重复使用助推飞行器发展综述

在明确空间运输系统技术现状和发展趋势的基础上,对日本、欧洲主要运载系统发展计划中可重复使用助推飞行器(Reusable Booster Vehicle,RBV)技术的研发情况进行介绍,总结分析了日本和欧洲RBV技术的发展历程及经验,对我国航天运载系统相关技术的发展有一定借鉴意义。

可重复使用跨大气层飞行器多学科设计优化中姿控子系统的建模与仿真

在对可重复使用跨大气层飞行器(RTAV)进行多学科设计优化(MDO)的过程中,对RTAV姿控子系统的时域仿真是姿控子系统设计和飞行稳定性分析的重要手段。对某RTAV的MDO过程中姿控子系统的Simulink建模与三通道综合时域仿真的方法进行了研究。从理论上分析了建模、仿真过程中遇到的代数循环问题,并针对问题特点提出了解决方案。

重复使用飞行器双层式结构连接研究

与常规飞机和一次性运载火箭不同,重复使用飞行器是航空、航天技术的高度融合,具有双层式结构,内层贮箱与外层飞行器机身之间的连接对飞行器至关重要。针对某重复使用飞行器,提出了静定结构和静不定结构两种连接方案,并采用有限元分析的方法进行了静力分析,通过比较和分析得知:静不定结构连接方案更加合理。

可重复使用飞行器热防护系统辐射-传导复合传热分析

针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂辐射-传导传热问题,采用有限元方法并结合仿真软件ANSYS的参数化分析语言APDL,对可重复使用飞行器热防护系统进行参数化求解,模拟再入条件下热防护系统内部辐射和传导复合换热,预测内部瞬态温度响应。通过与试验数据的对比,验证了方法的有效性,并利用此方法对金属热防护系统进行热分析和质量优化。

一种可重复使用助推飞行器导航方案研究

介绍了重复使用助推飞行器(RBV)技术发展概况和三种典型回收方案,并对火箭动力自主返场RBV的导航系统方案进行了研究。根据高精度自主导航需求,确定了惯性+卫星+无线电的导航系统方案。基于动态贝叶斯理论和联邦滤波基本原理,提出了一种新的多传感器信息动态融合方案和算法。针对某飞行轨迹,对导航方案和算法的仿真验证结果表明:在整个返场飞行过程中,方案能实现RBV的高精度自主导航。

基于模糊滑模的可重复使用飞行器再入控制研究

针对可重复使用飞行器再入过程所跨空域广、气动参数变化范围大、外界干扰严重、对象不确定性强等特点,提出了一种模糊滑模姿态控制系统。将滑模控制和模糊控制结合起来,提出一种模糊滑模面设计方法,即保留了滑模控制的快速性和鲁棒性,又很好地抑制了抖振。内环控制中用滑模观测器来估计外部干扰和不确定性,增强控制器的鲁棒性。最后,六自由度非线性仿真验证了所设计控制系统的性能。

亚轨道可重复使用飞行器(SRLV)气动布局优化方法研究

亚轨道可重复使用飞行器(SRLV)要求具备良好的全速域、宽空域可控飞行能力,大范围机动能力和水平着陆能力,所涉及的气动问题几乎包括了从低速到高超声速空气动力学和稀薄气体动力学的各个领域,因此满足飞行任务的先进气动布局是SRLV设计的核心技术之一。本文针对这一复杂气动问题,采用基于Kriging响应面方法的优化方法对气动布局开展了工程约束条件下的优化研究工作,获得了满足设计要求的气动外形,可应用于工程设计,提高设计效率。

基于ESO的可重复使用飞行器积分滑模控制器设计

考虑参数不确定和外界干扰对姿态控制的影响,开展基于扩张状态观测器(ESO,extended states observet)的可重复使用飞行器姿态控制研究.首先,对飞行器运动模型进行描述,在合理假设条件下,得到面向控制器设计的纵向和横侧向姿态模型;其次,分别针对纵向和横侧向姿态模型设计积分滑模控制器(ISMC,integral sliding mode control);然后,引入ESO对耦合作用、参数不确定及外界干扰进行估计,并在控制器中进行补偿;最后,六自由度仿真结果表明,本研究给出的控制策略能够实现对给定制导指令的稳定跟踪,确保安全再入飞行.

重复使用助推飞行器大调姿段控制器设计

针对常规飞行控制方法难以适用于重复使用助推飞行器(RBV)大调姿转弯飞行段强非线性、强耦合、大角度的问题,提出一种基于神经网络鲁棒自适应非线性动态逆的重复使用助推飞行器飞行控制策略。首先,充分考虑气动力系数随马赫数、攻角及侧滑角等变化的非线性特点,建立完整的重复使用助推飞行器非线性六自由度模型;其次,利用非线性动态逆控制实现重复使用助推飞行器系统的伪线性解耦;然后,利用单隐层神经网络来逼近系统模型不确定性所带来的动态逆误差,最后,利用鲁棒自适应控制来抑制外加干扰以及网络逼近误差。非线性仿真验证了该控制策略在大调姿转弯段的可行性和有效性,同时控制策略的设计方法物理概念清晰,易于工程实现。

可重复使用天地往返飞行器中的多输入控制问题

本文从5个方面对新一代可重复使用天地往返飞行器(reusablelaunchvehicle,RLV)中存在的多输入控制问题进行了讨论:1)RLV增加冗余输入通道后,对飞行器系统性能的影响;2)RLV存在冗余输入通道时的控制分配问题;3)RLV再入大气层时,舵面和喷流反作用系统(reaction-jet control system,RCS)异类执行机构的复合控制问题;4)RLV三通道关联耦合效应对控制的影响;5)RLV为抑制机体弹性振动而面临的执行器位置寻优问题.开展RLV多输入控制课题的研究,不仅能挖掘出控制科学中的新问题,推动控制理论的进一步发展,而且也能为工程实践提供重要的理论支撑.

一种可重复使用再入飞行器的覆盖区求解方法

针对覆盖区的三个子问题——最大纵程问题、固定纵程下最大横程问题和内边界问题,设计了求解方法。在"r-V"空间内引入约束的对数表达形式简化了再入走廊的表达,提出了将再入轨迹分为"初始下降段、边界跟踪段和终端调整段"三段设计的轨迹规划方法,通过终端调整段的设计满足了再入终点的高度要求。为了跟踪所规划轨迹,引入了准平衡滑翔条件获取解析制导律。沿走廊上边界飞行获得最大纵程点;通过平移"边界跟踪段"轨迹使其布满再入走廊,解决固定纵程下的最大横程问题,获得外边界;而沿走廊下边界飞行获得覆盖区内边界。仿真结果表明方法快速、可行,在再入飞行器性能评估、再入任务设计和再入制导律评估等环节中具有工程应用价值。

可重复使用飞行器末端能量管理段轨迹和制导研究

采用Bernoulli螺旋线来描述航向调整圆锥在水平面中的投影,以此为基础建立了可重复使用飞行器在航向调整段的动力学和运动学模型,提出了一种根据末端能量管理段起始点水平面位置和飞行器的能量/航程比动态来生成航向调整圆锥的方法,以及航向调整段和捕获段的制导方法;数字仿真结果表明,本文提出的轨迹设计和制导方法可以使可重复使用飞行器以自动着陆界面要求的速度和高度对准跑道,实现飞行器安全降落。