变构型跨介质飞行器发展及关键技术分析

变构型跨介质飞行器就是既能满足在水下航行又能满足在空中飞行要求的飞行器,在具备水下航行隐蔽特性的同时也满足在空中飞行的机动性和灵活性要求。变构型跨介质飞行器可以通过改变其翼型结构适用于空气中与水中航行。该飞行器结合了无人机和潜艇的优势,可以实现多次出入水跨介质作业,在军事领域应用于战场关键信息侦察、突防和精确打击,在民用领域应用于海上灾难救援、深海地质探测等。从军事和民用方面分析了变构型跨介质飞行器的优势及用途,总结了国内外变构型跨介质飞行器发展现状,针对性地梳理了关键技术和难点问题,在此基础上提出了技术发展建议,为后续跨介质飞行器研究工作提供支撑。

电控固体推力器研究现状及关键技术

电控固体推力器具有独特的电控能力,能同时满足可重启、可控制推力且结构简单等技术要求,引起了国内外的研究关注。推进剂开发、工作机理探索、推力器结构设计和工程应用是当下研究的热点。本文总结了电控固体推力器的相关研究进展,认为装药结构失效、推进剂自持燃烧以及在大尺寸装药中难以受控燃烧等是限制其应用和发展的主要问题,从推进剂配制、推进剂制备、点火电极设计和推力控制四个方面梳理了电控固体推力器的关键技术,提出了研究建议,并结合推力器的工作特点和应用背景展望了发展趋势。

电喷雾推力器单发射点电流模型及稳定性分析

为促进对纯离子模式下电喷雾推力器的深入理解,分析了电喷雾推力器单发射点受力、供液及离子蒸发行为,建立了发射电流理论模型,明确了电压、供液装置流阻等参数对发射电流的影响规律。所得结果与现有实验数据吻合良好。基于所得模型,进而对单发射点顶端用于发射离子的凸起结构进行了瑞利稳定性分析,得到了单发射点稳定发射的电流上限,并分析了流阻对电流上限的影响。结果表明:发射电流为外加电压的二次函数,与供液装置的流阻成反比关系;纯离子模式存在一个稳定发射电流上限,超过此上限,凸起结构便会破碎;流阻越大,发射电流上限越大。

基于特征空间变换的运载火箭Pogo模型降阶方法

针对运载火箭Pogo状态空间模型存在维数高和奇异性的问题,开展了Pogo模型的降阶方法研究。基于特征空间变换理论,导出了一般形式的Pogo状态空间模型的解耦形式。该形式与推进系统和结构系统的模态频率相对应,从而通过模态截断或保留感兴趣的模态实现有效的模型降阶。同时,还给出了降阶方法的实数运算公式。在两种不同型号推进系统的火箭Pogo问题中进行了仿真校验。结果表明所提出的降阶方法对奇异和非奇异Pogo状态空间模型都能给出正确的降阶模型,显著地提高计算效率,具有很好的通用性,为Pogo时域仿真和主动抑制提供了合适的模型。

用于空间站的螺旋波等离子体推进研究进展

针对如何利用空间站中气态物质作为电推力器的推进工质,产生空间站姿轨控所需动力,提高空间站物质利用率以及降低空间站长期运行成本,介绍了螺旋波等离子体推力器的工作原理及性能特点,结合气态物质的主要成分,综述了国内外对于复杂工质螺旋波等离子体推力器的最新研究进展,讨论了复杂工质螺旋波等离子体推力器的关键技术和研究方法,对复杂气体用于螺旋波等离子体推力器的应用进行了展望。

动力系统故障下运载火箭推力与质量辨识方法

为了精确辨识动力系统故障下运载火箭的推力和质量,提出了一种最小二乘法与卡尔曼滤波相结合的联合校正辨识方法。以两级运载火箭二级飞行段为研究对象,采用惯性敏感器件测量的视加速度信息作为辨识的观测量,根据视加速度观测信息和上一时刻的推力参数估计值,通过卡尔曼滤波估计当前时刻火箭的质量等状态量,再利用渐消记忆的递推最小二乘方法估计当前时刻火箭的推力参数,从而实现火箭质量和推力参数联合校正辨识。进一步,提出利用视加速度向量2范数差分判断推力参数突变时刻,并从突变时刻重新进行最小二乘辨识的改进策略,提高对推力参数突变的跟踪能力。数值仿真结果表明,对不同大小、不同类型的动力系统故障,所提出的方法都给出了运载火箭推力和质量参数的高精度辨识结果,尤其是结合故障检测的改进策略,大大提高了对推力参数突变的跟踪能力。

挤压熔体浸渗法制备金属涂覆碳纤维增强铝基复合材料的润湿性和力学性能改善

为了改善碳纤维与铝基体之间界面的润湿性和结合性能,采用挤压熔体浸渗法制备镍和铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料,对两种不同涂层碳纤维增强铝基复合材料的界面润湿性、显微组织和力学性能进行比较和研究。显微组织结构分析表明,与无涂层碳纤维增强铝基复合材料相比,在相同的浸渗工艺条件下,在碳纤维表面涂覆两种金属均可以显著改善碳纤维与铝基体间的润湿性,铝熔体容易进入纤维束内部;两种金属界面层涂覆在铝熔体浸渗期间均可有效抑制碳纤维与铝基体间的界面化学反应,从而更有利于保持碳纤维的原始强度和改善纤维−基体界面结合性能。单轴拉伸力学性能研究结果表明,铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料的屈服强度、极限抗拉强度和弹性模量分别约为124 MPa、140 MPa和82 GPa;镍涂覆碳纤维增强铝基复合材料的屈服强度、极限抗拉强度和弹性模量分别约为60 MPa、70 MPa和79 GPa。铜涂覆碳纤维增强铝基复合材料比镍涂覆碳纤维增强铝基复合材料具有更优性能。这是由于铜具有较低的熔点,在挤压熔渗过程中易形成致密的基体和良好的纤维−基体结合界面,从而使加载过程中的载荷容易从铝基体传输到碳纤维,充分发挥碳纤维的承载作用。

运载火箭推力故障下基于智能决策的在线轨迹重规划方法

为了提高运载火箭上升段飞行中推力故障下轨迹重规划的计算效率,提出了一种基于智能决策的在线轨迹重规划方法,将原问题转化为最优救援轨道的在线智能决策和成熟的燃料最优轨迹规划问题进行求解。通过离线求解不同故障状态对应的轨迹重规划问题,建立“故障状态-救援轨道”样本集,基于径向基神经网络建立最优救援轨道的决策模型,并将决策模型装订箭上。在实际飞行中以当前故障状态作为输入,利用决策模型可在线快速决策出最优救援轨道根数,进而求解以救援轨道为目标轨道的燃料最优轨迹规划问题,从而完成推力故障下的在线轨迹重规划。数值仿真表明,与直接求解轨迹重规划问题相比,该方法的计算效率提高了两个数量级以上,同时给出一致的最优救援轨迹。

高度-速度剖面内再入轨迹快速规划

提出一种升力式再入航天器进入稠密大气后的轨迹规划方法。在预先设定攻角剖面的前提下,利用路径约束(驻点热流、动压和过载)在高度-速度(H-V)剖面内直接获得轨迹下边界;利用终端约束确定以轨迹下边界为基准的高度增量,进而通过下边界与高度增量的加和形成满足要求的再入轨迹。其中,增量的形式选取为分段二次型函数,其大小可通过割线法快速获得。倾斜角大小可根据纵向动力学方程反解得到,其方向依据航向误差角走廊确定。通过对典型工况的仿真,结果表明所提方法能够快速规划出再入轨迹,且适应性好。

脉冲感应式电推进中平面型线圈激励等离子体的流动特征分析

感应等离子体推力器是一种具有较好应用前景的空间推进方式,受到复杂瞬态电磁场的影响,流场中热力学和动力学参数的时变特性难以实验测量。采用单流体磁流体力学理论,结合高温气体的热力学和输运模型,数值计算初始静止且无预电离的情况下,等离子体参数的二维分布,着重分析等离子体在前半周期内的流动特征。对内径ri为0.05m,外径ro为0.15m的线圈计算表明,其等离子体-线圈耦合距离约为0.032m,以Ar为工质情况下,有效冲量产生时,高价离子(Ar^3+,Ar^4+)与低价离子(Ar^+,Ar^2+)由于受电磁力影响不同,产生了局部分离电场,推动了电流片运动,且在电流片内部,前缘主要为低价离子,后缘主要为高价离子。单脉冲能量210.7J、峰值径向磁感应强度为0.5T、有效作用时间约12μs条件下,5μs时刻的Ar^2+,Ar^3+的最大数密度大于6×10^21m^-3,且大于Ar^+,Ar^4+的数密度。电流片运动大于耦合距离后,受径向运动以及激励电流反转的影响,线圈表面等离子体磁场非线性特征显著,而前缘磁场维持规则分布。对外径为0.15m,0.3m和0.5m的线圈计算发现,ro为0.5m时,电流片径向均匀长度达到0.3m,表明较大线圈尺寸除增加耦合距离外,可提高径向电流密度的均匀性。

长短期记忆网络驱动的脉冲感应式推力器放电特征研究

为快速与可靠预测脉冲感应式推力器的放电特性,提出了一种改进的等离子体放电电路模型与长短期记忆网络结合(MPDCM-LSMT)的数值实验方法,建立了适用于该型推力器的等离子体放电幅值序列数据生成、训练和采样预测的融合模型。为生成高质量的序列,以等离子体电磁感应和流动方程为核心,发展了Ar,He和N_(2)的热力学计算方法,并根据不同的能量沉积和电导率模型,推导出三种电路模型。通过计算的冲量和放电曲线与实验对比分析,识别最优模拟推力器放电特性的数据模型。对电压和电流数据集训练并采样后发现,质量恒定的情况下,采用融合模型训练21组序列数据得到的LSMT网络,可实现主放电阶段趋势的预测。在文中研究的范围内,对高初始放电电压条件下主放电周期的预测发现,电压曲线与计算曲线吻合度高,电流曲线峰值误差小于3.8%,对应时间误差小于5.3%。结果表明,实现推力器放电预测所需的网络层数和单元数与样本量密切相关,层数影响放电变化趋势预测正确性,单元数则影响曲线的平滑程度。

运载火箭推力故障下在线计算轻量化任务重构方法

为了避免运载火箭推力下降故障引起发射任务失败,基于径向基神经网络,提出了一种在线计算轻量化的任务重构方法,可快速在线计算最优救援轨道对应飞行轨迹(最优轨迹)的近似解。在离线部分,结合凸优化与自适应配点法产生“故障状态-最优轨迹”数据集。数据集被用来训练径向基神经网络,建立轨迹决策模型来构建故障状态到最优轨迹的动力学关系。在线应用时,不需要迭代求解轨迹优化问题,只需将离线训练好的神经网络正向传播应用即可。仿真校验了本文方法在圆轨道、椭圆轨道两种救援类型情况下的有效性,与直接法相比,本文方法可获得最优轨迹的近似解,并且在线部分的计算时间降低三个数量级。

射频离子推力器研究进展

射频离子推力器由于高比冲、长寿命、高效率等优点在电推进领域中占有重要地位.为了进一步缩减推进系统的质量和体积,降低成本,一些新型射频离子推力器相继出现,其中无中和器射频离子推力器备受关注.对传统射频离子推力器的国内外研究及发展现状进行了总结,分析了射频离子推进技术中涉及的关键技术,概述了无中和器射频离子推力器的原理及研究进展,给出了射频离子推力器的发展方向和建议.

微纳卫星新型动力系统研究进展

微纳卫星指采用现代技术、微电子技术、机械技术等设计制造的具有高性价比的现代微小卫星。因其具有发射成本低廉、应用灵活等特点,微纳卫星受到各国的广泛关注。微纳卫星动力系统具有良好的发展前景。本文综述了微纳卫星动力系统的发展现状,针对自中和射频离子推力器、离子液体推力器、碳纳米管阵列推力器、石墨烯材料光驱动等几种新型且有望用于微纳卫星推进的方案,简要说明其工作原理,并分析其核心技术以及性能优势。给出了发展建议:提升总冲、功耗、调节精度等参数是微纳卫星动力系统未来主要的发展方向;研发工作中需要重点关注结构工艺、离子束流中和等关键技术。

晶粒互锁结构与短切碳纤维增韧ZrB2-SiC复合材料的制备与力学性能

ZrB2-SiC基复合材料具有比单体ZrB2更优异的抗氧化性能及力学性能,但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用,采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺,分别制备了具有独特片状ZrB2晶粒互锁结构的ZrB2-SiC复合材料和以短切碳纤维(Csf)为增韧相的Csf/ZrB2-SiC复合材料。对比研究发现,晶粒互锁结构展现出优异的自强韧化效果,使ZrB2-SiC复合材料具有较高的弯曲强度及断裂韧性,但材料表现出典型的脆性断裂特征;Csf/ZrB2-SiC复合材料弯曲强度下降,但Csf具有显著的增韧作用,不仅使材料具有较高的断裂韧性,而且临界裂纹尺寸及断裂功都得到显著提高,从而表现出非灾难性破坏模式。

环型离子推力器放电机理研究进展

环型离子推力器是未来大功率电推力器中一个极具潜力的发展方向,将来有望广泛用于探月与载人航天、火星探测等深空探测任务。介绍了环型离子推力器的特点、优势和价值,指出了目前阻碍环型离子推力器发展及应用的关键问题。为了研究环型离子推力器的放电机理,综述了环型离子推力器放电室设计参数,如几何参数、电磁场参数和推进工质分布等,以及对其放电特性的影响;重点介绍了环型离子推力器与传统考夫曼型离子推力器相比差异较大的实验现象。在此基础上,介绍了环型离子推力器放电机理的数值模拟研究现状。最后,对环型离子推力器放电机理的研究及下一步发展进行了展望。

基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构

现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系,同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应.为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法,以平面梁为对象,借鉴变形重构逆有限元法的思想,将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题.首先,通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变-位移关系进行精确描述,构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元.然后,对此逆ANCF单元进行改进,在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性,既保证了本问题的适定性,也提升了最终解的精确性.最后,基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法,即逐单元算法和多单元整体算法,以实现不同需求下的稳定求解.数值仿真结果表明,本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%,而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度,同时验证了本方法的收敛性与计算效率.

环型离子推力器放电室参数对推力器性能的影响

环型离子推力器放电室参数对其推力和比冲等具有显著影响。利用基于混合宏粒子(Hybrid-PIC)解耦迭代算法,对环型离子推力器稳态放电过程进行了三维仿真模拟,发现放电室参数对推力器的推力、比冲、放电损耗、电离率以及放电室出口处离子分布均匀性均会产生影响。研究结果表明,增大环型离子推力器阴极长度,会使原初电子和等离子体在阳极壁面的损失减少,均匀性提高;增加磁体个数对原初电子的自由运动范围影响很小,因而对等离子体分布影响也很小;增大放电室通道宽径比可以增大原初电子的自由运动范围,提高原初电子和等离子体的均匀性。减小放电室内径对原初电子和等离子体的影响更显著。因此,5 kW环型离子推力器的阴极长度应选设计长度的1.5倍,通道宽径比应选设计值的1.2倍。

考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究综述及展望

首先分析了影响考夫曼离子推力器放电性能的关键因素,然后按照仿真模型的维度对考夫曼离子推力器放电室数值模拟方法进行了分类综述和优缺点分析,并针对以流体方法为基础的各向异性界面问题进行了分析。在此基础上,概述了零维模型、二维模型和三维模型下针对放电室所取得的数值模拟研究结果。最后对考夫曼离子推力器放电室数值模拟研究进行了总结及展望。

离子液体推力器性能影响因素仿真研究

文章主要研究离子液体推力器发射阵列几何结构参数对推力器性能的影响。建立单个发射极粒子网格法仿真模型,模拟获得了单个发射极束流分布及推力、比冲等性能参数曲线;通过改变电极间距及引出极孔径获得了单个发射极平均推力和角向效率的变化曲线,分析了电极间距及引出极孔径对推力器性能的影响。研究表明:在离子被引出极拦截前,推力器角向效率与电极间距成正比,与引出极孔径成反比;在不考虑发射离子数量和比例改变情况下,推力器推力随电极间距的增加先增大后减小,一定范围内随引出极孔径的减小而增大,但过小的引出极孔径会造成严重的推力损失与栅极侵蚀。以上研究结果可为离子液体推力器的优化设计提供参考。