Forced Response of Fluid-Spacecraft Coupling System and Force and Moment of Fluid Acting on Container

In this paper, forced response of fluid-spacecraft coupling system and force and moment of acting on rect-angular container are studied. Firsily, the interrelation between the generaized coordinates of fluid velocity potential function and surface wave-height function is derived for liearized eqqations describing motion of contained fluid.The drnamical equations of coupling system is obtained by Lagrangian formulation. These equations provides some in-sights of fluid-spacecraft coupling characteristics.It is not in the sense of the whole modal mass that the fluid sloshing of corresponding order is excited by the vibration of the spacecratt.Then, the force and moment of the fiuid on the container are derived and discussed in detal. Latly, numerical simulation and conclusions are given.

海浪情形下舱囊组合体着水冲击特性研究

为了研究舱囊组合体在海浪情形下的着水冲击特性,文章基于某型返回舱和气囊的组合模型,利用LS-DYNA软件中的流固耦合算法、气囊仿真算法以及造波算法建立返回舱-气囊-波浪-空气的多介质耦合模型,模拟海浪情形下舱囊组合体的着水过程,并讨论不同入水角度和不同入水位置对返回舱过载、气囊内压以及气囊受力的影响。经分析可知,舱囊组合体入水角度越大,过载越小,随着入水角度的增大,气囊的内压峰值呈减小趋势。此外,舱囊组合体在海浪波峰处着水的过载明显小于在波谷处着水的过载,气囊系统的受力分布表现出明显差异。研究结果可为海上回收系统的设计和入水冲击试验提供技术参考。

航天器流体回路泵智能故障诊断方法

开展了航天器流体回路泵智能故障诊断方法研究,将BP神经网络、粒子群优化(PSO)-BP神经网络、遗传算法(GA)-BP神经网络和模糊神经网络4种模型应用于故障诊断,以温度、流量、出口压力、转速4类状态参数作为神经网络输入,状态标志作为输出进行训练,通过均方误差、相关系数、模型训练评分对模型训练效果评价,从而实现模型优选,完成故障诊断。利用在轨遥测数据进行应用验证,结果表明可以准确识别流体回路泵的正常和叶轮卡死泵功能丧失两种在轨实际状态类型,且模糊神经网络相对其他3种神经网络具有更好的诊断效果。

航天器控制力矩陀螺宽频带并联隔振系统设计

提出了一种新型宽频带波纹管流体阻尼器概念及其力学模型,设计实现了一种宽频带波纹管流体阻尼器产品原型,该阻尼器通过设计若干只频率阀,用于调节其在特定频率段、特别是在低频段的阻尼特性,实现了液压阻尼可变,此外还专门设计了带有间隙元件的机加工弹簧作为二级刚度,实现了刚度可变。基于该阻尼器,针对某大型载人航天器控制力矩陀螺(CMG)在多种复杂环境下的隔振需求,设计实现了一种宽频带并联隔振系统,该隔振系统既能在主动段能将CMG锁紧固定、提高可靠性,又能在在轨段高效缓解CMG的解锁冲击能量和抑制其微振动。所设计的阻尼器及并联隔系统为航天器CMG提供了一种变阻尼变刚度、宽频带的隔振解决方案,为后续工作奠定了基础。

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高,液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加.液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性,是航天器动力学中一个备受关注的问题.充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统,理论上是无穷维的,而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的,因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰.另外,液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响,在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应.本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际,从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状,并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况;然后,以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件;最后,根据航天器工程的发展需求,对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.

载人航天器单相流体回路分析

对载人航天器热控分系统单相流体回路进行了简化,建立了氨工质单相流体回路的软件仿真模型,对仿真模型添加瞬态外热流,施加比例、积分和微分(PID)控制器。仿真结果给出了单相流体回路在典型工况下控温点温度波动、辐射器出口温度波动、温控阀主旁路流量分配的响应情况。据此分析了单相流体回路在典型工况下的动态响应性能、控温性能及低温防冻性能。总结评价了氨工质单相流体回路的低温防冻能力,确定了影响单相流体回路控温性能的因素,可用于指导我国单相流体回路进行优化设计及防冻设计。

载人运输飞船流体回路方案研究

流体回路是载人运输飞船热控分系统的重要组成部分,结合飞船所采取的其他热控措施,流体回路必须满足各种可能出现的热工况要求,同时尽量少占用飞船的资源。在进行分析和比较的基础上,确定流体回路的方案和系统配置,结合对接目标的热设计,重点解决与目标停靠期间的热控问题。文中介绍了载人运输飞船流体回路的主要设计要求及考虑重点,在能量平衡分析的基础上设计了两种流体回路方案,并进行了热分析计算和性能比较,对流体工质的选择也提出了建议。

微小航天器单相流体回路自主热控地面实验研究

单相流体回路是解决微小航天器热控问题的一种重要手段,但是由于其内热源功率密度高、轨道热环境变化复杂,要求其具有高度自适应控制能力。为满足开展微小航天器单相流体回路自主热控研究的需要,提出了一种单相流体回路核心部件-微机械泵的PWM控制策略及实现算法,设计并搭建了其地面等效模拟实验装置,实现了该单相流体回路包括微机械泵驱动电压-压差输入输出关系、热源载荷变化及微机械泵转速变化的开环动态特性实验研究,并在此基础上完成了所提出的单相流体回路自主控制方法控制效果的地面等效模拟实验研究,达到±0.5℃以内的自主控温效果。该控制策略除了可以实现高精度自主控温以外,由于机械泵功耗基本上与热载荷成正比,还可以减少热控系统运行能耗,因而在能量供应有限的微小航天器上具有广阔应用前景。

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局,提高流体回路的散热效率,降低流体回路温度,本文基于(火积)理论,分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明,排散相同热量时,流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好,流体回路散热过程(火积)耗散越小,系统散热过程越优。进一步,对于2个辐射器的情况,分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流,对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明,辐射器与流体回路串联时,系统散热性能要优于两者并联,系统的流体温度水平最低,结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。

载人航天器主动热控制系统流体回路的优化设计

载人航天器一般采用主动热控制技术为主的热控制系统,废热的排散主要通过泵驱动单相流体回路。分析了主动热控制系统的主要设计任务,如系统方案、工质的选择、回路部件的选型、系统参数的确定、控制算法等;提出了主动热控制系统方案及参数选择应满足适应性要求、安全性要求、可靠性要求以及经济性要求,指出主动热控制系统的设计是一个以系统总体质量最小为目标的约束优化问题,并讨论了优化设计的思路与实现流程。最后基于一个具体的设计案例对设计方法进行了验证。

基于泵变频调速的航天器热控制技术

文章针对某单相流体回路地面原理样机,提出采用泵变频调速技术进行控温,并对系统控温特性进行了地面试验研究,整个瞬态试验过程中控温精度一般都在±0.3℃以内,最大波动也基本不超过±0.5℃,基于泵变频调速技术的热控制策略性能优良、有效,试验结果可供实际工程设计参考。

单相流体回路地面试验研究

为了对流体回路系统设计参数确定提供指导,通过地面试验方法,研究了低温和外界环境变化时单相流体回路的阻力特性、工质补偿、控温算法等。介绍了地面试验系统的组成、试验方法和相关试验结果,并重点对外界环境突变时的控温结果、控温目标点与控温装置作用点分离时的控温震荡以及低温下补偿器的补偿能力测试结果进行了分析。试验结果表明,在外界环境剧烈变化时会出现温度过冲,过冲可达到10 oC;此外,由于控温点和控温装置作用点的分离引起的相位差,会导致系统控温失败。这些结果对载人航天器流体回路的泵、换热器设计以及工作状态分析具有一定的参考作用。

单相流体回路安全性设计

结合国内外单相流体回路设计的一些经验和方法,从单相流体回路系统安全性设计的角度,重点介绍利用回热换热器进行流体回路工质防冻的原理、采用真空脱气技术在工质加注前进行工质处理的方法、利用膨胀节等部件进行系统压力控制的方法以及流体回路防静电设计方法,并给出了设计实例。对提高深空探测器、空间站等长寿命、复杂工况下流体回路系统的设计安全性和可靠性具有一定的参考价值。

单相流体回路控温算法建模与仿真分析

针对我国新的载人航天器在控制密封舱空气温湿度同时,要精确控制流体回路上电池等大热耗设备温度的需求,文章给出了航天器单相流体回路的PID控制、模糊增量控制和专家控制算法,解决了控温点前存在大热容和大热耗设备的流体回路控温问题。新的单相流体回路控温算法的提出和应用,可以有效简化流体回路复杂程度,减少10%的热控质量和功耗。

单相流体回路工质的试验研究

介绍了单相流体回路设计中流体工质的基本性能参数与选择标准,还介绍了流体回路试验平台;比较了"神舟"飞船流体工质和混合物Secool-3工质的物理特性参数,并进行了室温工况和低温工况试验,试验结果表明Secool-3工质应用于单相流体回路具有较好的系统性能。

单相流体回路系统的性能集成分析

文章概述了对流体回路系统研究时可采用的 3种方法 ,介绍了单相流体回路热性能和流动性能的分析计算过程 ,并以一个流体双回路系统为例 ,进行了MATLAB编程计算与SINDA/FLUINT建模计算 ,通过对两种结果的比较 ,初步验证了利用SINDA/FLUINT软件对该系统进行热性能和流动性能集成仿真分析的可行性。

载人航天器主动热控系统流体回路的轻量化设计

建立载人航天器热控系统内各组成部分传热和质量的数学物理模型,对热控流体回路进行轻量化设计,并讨论相关参数对优化结果的影响。研究发现,在回路散热任务给定时,回路各组成部分的结构参数和辐射器内的散热管道数都存在最佳值,在该值下回路系统质量达到最轻。随着辐射器散热面积的增加,最优的辐射器内散热管道数减少;在给定辐射器散热面积时,当回路散热任务增加时,回路最优设计质量和辐射器内的最优管道数均增加。

载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究

快速有效的舱内热环境预测分析方法及工具在载人航天器的设计中具有重要的研究地位,而预测方法的合理性、准确性及其计算速度是此类问题研究中的重点和难点。文章围绕计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值计算方法阐述了载人航天器中导热与对流换热的耦合求解问题,分析了不同的求解原理和特点。为了缓解计算速度的问题,基于航天器舱内热环境CFD数值预测方法提出了一种全新的"流场/温度场松耦合"计算方法。对比分析了此方法中温度场在不同时间步长下的计算结果,对计算步长的选取给出了合理的判定准则,同时还分析了不同时刻下设备表面对流换热系数和温度场的计算结果,结果表明文章提出的"流场/温度场松耦合"计算方法在大幅提高计算速度的同时还能在一定范围内保证计算精度,具有一定的工程应用前景和价值。

单相流体回路辐射器性能优化方法

文章以"神舟"飞船辐射器为例,对管肋式单相流体回路辐射器的肋宽进行了优化分析。采用理论分析与数值求解相结合的方法,分析了管肋式辐射器常用性能评价方法——能质比及微元能质比(单位质量散热能力)随肋片宽度的变化规律;而后以提高辐射器能质比为优化目的,对辐射器肋宽进行了优化,得出了辐射器的最佳能质比对应的肋宽表达式;最后给出了"神舟"飞船辐射器优化前后的参数对比。文章对管肋式辐射器的优化设计具有很好的参考价值。

基于微元能质比的辐射器散热性能分析方法

对管肋式单相流体回路辐射器的散热性能计算方法进行了研究。首先建立了管肋式辐射器传热过程数学模型及微元能质比(辐射器微元段单位质量散热能力)表达式,并采用数值求解方法得出了微元能质比随工质温度呈现二次曲线的变化规律,进而提出了以辐射器微元能质比为基础的辐射器散热性能分析方法,以神舟飞船辐射器为例进行了求解验证,证明采用此方法求解辐射器散热性能有效且方便快捷,具有较强的实用性和良好的工程应用价值。