航天器着陆碰撞动力学CUDA并行计算技术

航天器着陆接触碰撞过程中的瞬态响应计算,涉及到几何非线性、接触非线性和材料非线性,计算过程复杂,计算量大。为此,文章将统一计算架构(CUDA)技术应用到接触碰撞问题的并行显式积分计算,研究了质量矩阵和刚度矩阵的并行生成方法,并将基于中心差分法的求解过程并行化实施。仿真算例表明:并行算法计算结果准确,较大地提高了计算仿真分析的效率,可为航天器着陆过程中冲击动力学计算的快速和高精度实现奠定基础。

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型"平台+绳系+柔性网+自主机动单元"结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明:逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。

空间绳系机器人系统动力学建模与仿真研究

针对经典"珠子"模型在计算精度和求解速度方面的不足,提出了一种基于有限单元法的高精度建模与快速求解方法。首先在考虑系绳非线性应力-应变关系的基础上,利用Hamilton原理和C-W方程推导了系统在轨道坐标系下的动力学模型,然后使用三阶的一维单元对系绳进行了离散化处理,并给出了一种利用纽马克-β法进行预估,由Newton-Raphson法进行迭代校正的高效时域求解算法,从而实现了对于系统状态的高精度快速求解。仿真结果表明:与经典的"珠子"模型相比,在分段长度相近的情况下,本文的方法不仅求解精度更高,而且计算速度能够提高至少10倍,另外还能够避免仿真过程中张力出现虚假振荡。

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明:设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。

超高速飞行器自适应模糊超螺旋控制律设计

针对超高速飞行器多源扰动下高精强鲁棒控制需求,提出了一种自适应模糊超螺旋控制律。首先,给出控制导向的超高速飞行器姿态模型;其次,采用广义超螺旋算法设计控制器,实现滑模变量与跟踪误差的高精收敛;同时,引入高阶齐次观测器估计飞行器复杂扰动,并在控制律中做前馈补偿以提高算法鲁棒性。针对控制增益选取问题,基于模糊算法,通过融合专家经验,建立控制增益与滑模变量直接关联。相较传统自适应方法,该自适应律可实现控制增益快速调节整定,同时兼顾系统响应速度、鲁棒性与抖振抑制需求。最后,以考虑复杂多源干扰的超高速飞行器为对象进行仿真,结果证明了自适应模糊超螺旋控制律的有效性。

空间绳系编队的动力学及稳定展开控制研究

以三角构型的空间绳系编队系统为对象开展了动力学特性分析和稳定展开控制研究。首先,针对以往编队动力学建模的精度问题,采用Lagrange法建立了系统动力学模型,建模时充分考虑了系绳的弹性,可在不增加计算量的同时保留系统的弹性特性。其次,根据所建立的动力学模型,定量分析了编队自旋稳定时自转角速度的范围,为之后的稳定展开控制提供理论依据。由于受制于执行机构精度和控制输入的限制,空间绳系编队系统是一个典型的欠驱动系统,采用分层滑模实现编队的稳定展开控制,仿真结果验证了该控制方法的有效性。

一种改进的轨道动力学模型

航天器的矢径可以分解为矢径模和单位矢量的乘积,利用该性质将传统轨道动力学方程分解为矢径模和矢径方向的动力学方程组,实现了航天器位置信息的分离;针对两个方程分别采用常数变易法和四元数描述方法,将轨道动力学模型转化为线性无奇异的方程组,同时得到了7个新轨道变量,且建立了新轨道变量与惯性系下航天器位置速度信息以及轨道六要素之间的相互转换关系.该轨道模型适用于任意形式的推力和摄动,避免了奇异性,且在虚拟时间的意义下,航天器的旋转角速度只取决于法向力;在常值推力和变推力的情况下,对该模型进行了数值验证,验证了新模型的可适用性、数值稳定性以及计算精度高的优势.

火箭基组合动力循环飞行器变结构进气道方案研究

火箭基组合动力循环(RBCC,rocket based combined cycle)飞行器的飞行速域宽、距离远,要求飞行器在整个飞行包络内,其推进系统不仅在设计点具有良好的性能,在非设计点时也要求能正常工作。以一种RBCC飞行器为研究对象,计算不同马赫数条件下动力系统进气道的性能,在此基础上提出一种进气道的变形方案。结果表明,所设计的变几何进气道方案,能够使得组合动力发动机在工作段满足不同的推力需求,提高了发动机的效率。

逆向喷流技术在高超声速飞行器上的应用

高阻力和强烈的气动加热是高超声速飞行器气动设计研究中遇到的两个主要问题。作为一种主动流动控制技术,逆向喷流因其在减阻防热方面的良好效果日益成为研究热点。本文围绕逆向喷流技术在不同外形飞行器上的应用,梳理了其技术发展情况,包括逆向喷流的压比、质量流率以及冷却剂等关键参数的研究,逆向喷流可有效应用于高速再入体的防热,钝头体和升力体的减阻。对其自身表现出的典型物理现象,如流动模态转换、自激振荡的机理进行了详细分析,同时介绍了作者所在研究团队在逆向喷流技术应用于高超声速飞行器上所取得的研究成果,包括飞行器升阻比的提升效果以及滑翔状态下逆向喷流的周期性振荡特性,为此技术在未来的进一步工程化应用提供一定参考及借鉴。

失效航天器的姿态机动接管控制

为实现失效航天器寿命延长的目的,采用接管控制技术接管失效航天器姿态控制系统。针对姿态机动接管控制中,失效卫星参数不确定和推力器构型矩阵突变的问题,提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态机动接管控制方法。首先采用指令滤波backstepping控制来重构姿态机动接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后对推力器构型矩阵进行重构;最后考虑燃料消耗和控制输入受限问题,通过基于约束最优二次规划的动态控制分配算法对推力器推力进行控制重分配。采用本文方法实现了对燃料耗尽航天器和部分执行机构失效航天器的姿态机动接管控制。数值仿真证明了该方法的有效性。

基于协同粒子群算法的航天器集群动态路径规划算法研究

针对航天器集群在考虑障碍物规避前提下到达动态目标点的路径规划问题中,传统粒子群算法的搜索半径固定,会导致航天器在接近目标点时难以寻找到较优值的问题,将各成员航天器的轨道动力学问题转换为一种考虑约束下的最优化问题,提出了一种基于协同粒子群算法(CPSO)的路径规划方法:提出一种随着航天器与目标点之间距离变化而改变搜索半径的动态半径搜索法,并以此对CPSO算法进行改进。改进的CPSO算法通过动态搜索半径自主寻找当前时刻各成员航天器的最优路径,从而得到三维空间中航天器集群动态路径规划问题的最优解。仿真结果表明,采用改进的CPSO算法不仅可以得到航天器集群动态路径规划问题的最优解,还可以大大减少其路径规划中的燃料消耗量,提高各成员航天器路径的稳定性。

基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识

随着空间技术发展,交会对接任务越来越多,服务航天器与目标航天器对接形成组合航天器后惯性参数会发生明显变化。因此,提出一种基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识方法。该方法可以分为2步:第一步辨识组合航天器的质量和质心;第二步辨识组合航天器的惯性张量。该方法优点是实现了质量、质心与惯性张量等辨识参数的相互解耦,不需要消耗航天器上宝贵的喷气燃料,仅需要测量航天器的速度,而不是加速度和力。仿真结果验证了方法的有效性。

面向总体性能的高速飞行器布局优化

飞行器气动布局的选型和优化技术在总体设计中处于关键地位,在临近空间飞行的飞行器对升阻比和操控性能都提出了更高的要求。翼身组合的升力体外形由于兼顾内部装填以及升阻特性成为了目前高速飞行器主要的设计方向。以一类具有普适性的面对称升力体外形为基础,采用相关性分析手段提取出飞行器的关键几何参数,挖掘出几何参数对所关心的总体性能指标的影响度大小,并建立起基于CFD方法的气动布局优化平台,以总体性能指标为约束,优化出高升阻比外形,通过风洞试验验证了优化设计方法的有效性,为高速飞行器的气动布局工程化设计提供了有效的技术手段。

工业机器人视觉图像的质量评价方法研究

工业机器人视觉系统在校准和标定过程中需要对成像质量进行客观评价,而在参考图像已知的情况下,现有图像质量评价方法无法有效表征图像局部结构差异,难以充分考虑像素级差异对局部结构的影响。针对上述问题,提出了一种基于视觉显著性的全参考图像质量评价方法。其中,设计了一种基于梯度图的差异度表征方法,利用相位一致性和梯度图来描述图像局部结构和像素级的差异,进而提出了基于视觉显著性的图像质量评价方法,通过利用像素级差异对图像局部结构进行权重赋值,从而提高算法对图像进行质量评价时的性能。实验结果表明,本文方法和其他四种典型图像质量评价算法相比,能够在三个标准图像数据库上取得更高的质量评价分数。

吸气式高超声速飞行器粘性力工程计算方法

粘性干扰对吸气式高超声速飞行器气动、推进及其飞行稳定性有重要影响,基于无粘理论计算的精度不能满足实际需求。针对吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的特点,研究了吸气式高超声速飞行器粘性力工程估算方法。该方法首先利用激波膨胀波理论及一维定常流理论确定气流参数变化,然后计算粘性力系数,最后对粘性力系数进行积分得到粘性力。通过计算飞行器表面粘性力及超燃冲压发动机内流道粘性力,分析了粘性对气动的影响及粘性随飞行高度变化规律。结果表明,粘性力对气动性能影响显著,尤其是阻力特性,粘性阻力占到总阻力的比重最高达到78%左右,粘性影响不容忽视。为了验证该方法,以某飞行器二维混合进气道为例进行了计算,计算结果与CFD基本一致。该方法可用于飞行器概念设计和初步研究阶段,对粘性力进行快速计算和影响分析。

高超声速飞行器横侧向失稳非线性分岔分析

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角横侧向失稳问题,采用延拓算法和分岔理论,求解并分析了以俯仰舵偏为连续参数的稳态平衡分岔图和以副翼舵偏为连续参数的横侧向机动稳态平衡分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析,并给出了特征根拓扑结构变化.研究表明,高超声速飞行器存在极限分岔点、Hopf分岔点以及叉型分岔点,且从叉型分岔点延伸出多个平衡分支,引起横侧向的自滚转失稳;从Hopf分岔点延伸出极限环分支,该分支对应较为复杂的极限环运动,其中还包含倍周期分岔、花环分岔、极限环极限点分岔等复杂的分岔现象;在横侧向机动飞行情况下,模型存在横向操作偏离失稳问题,且存在多个不稳定的平衡点.研究结果为实现高超声速飞行器的稳定飞行和控制器的设计提供了极其重要的动力学信息.

基于神经网络干扰观测器的柔性航天器姿态稳定控制

本文针对柔性航天器在惯性参数未知、外界干扰、输入饱和等复杂条件下的姿态控制问题,提出了1种基于神经网络干扰观测器的柔性航天器姿态稳定控制方法。首先,基于包含压电振动抑制输入的柔性航天器姿态动力学模型,构建了包含外界干扰、惯性参数不确定性的综合扰动项;其次,基于RBF神经网络设计干扰观测器与自适应参数调节律实时地估计综合扰动;再次,设计了1种固定时间收敛且有限时间稳定的非线性滑模控制器,并通过Lyapunov理论进行了稳定性分析;最后,利用航天器闭环姿态动力学系统进行数值仿真。结果表明:所设计的基于神经网络干扰观测器的控制方法可以有效实现航天器的姿态稳定、振动抑制与干扰估计,从而顺利完成航天器的高精高稳控制任务。

基于微小卫星合作博弈的失效航天器姿态接管控制

针对多颗微小卫星接管控制失效航天器姿态运动的问题,提出了一种基于多颗微小卫星合作博弈、实现对失效航天器姿态接管控制的方法。首先,面向失效航天器姿态接管控制任务需求,设计了各颗微小卫星的局部目标函数,并在考虑多颗微小卫星与失效航天器所形成组合体的动力学约束、微小卫星控制约束的前提下,建立了多颗微小卫星的合作博弈模型。其次,为实现失效航天器对时变期望姿态轨迹的跟踪,在合理设计期望姿态轨迹的基础上,通过构建组合体增广姿态运动方程,将跟踪期望姿态轨迹的要求描述为微小卫星合作博弈控制问题中的一组约束,并建立了多颗微小卫星控制失效航天器跟踪时变轨迹的合作博弈帕累托最优策略的求解框架。最后,对微小卫星合作博弈控制方法的有效性进行了仿真验证。验证结果表明,该方法能够在不需要进行微小卫星控制分配的情况下,通过多颗微小卫星的合作博弈实现对失效航天器的姿态接管控制。与传统方法相比,这种控制方法可避免进行微小卫星之间的控制分配,能够实现微小卫星能量消耗的全局最优且设计简单,便于考虑微小卫星的控制约束。

失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制

针对燃料耗尽的失效航天器姿态接管控制问题,提出多颗微卫星协同实现姿态稳定的状态相关黎卡提方程(SDRE)微分博弈控制方法。首先,将姿态接管问题转化为多颗微卫星的微分博弈问题,基于组合航天器的姿态模型和微卫星的性能指标函数建立多颗微卫星的非线性微分博弈模型,微卫星通过独立优化各自的性能指标函数得到控制策略。其次,引入状态相关系数矩阵,将非线性博弈转化为状态相关线性二次型博弈,采用SDRE方法更方便地逼近微卫星的博弈均衡策略。最终通过李雅普诺夫迭代法求解耦合状态相关黎卡提方程组得到微卫星的状态反馈控制器,实现微卫星的自主决策。数值仿真验证了多颗微卫星采用微分博弈控制方法实现姿态接管的有效性和容错性。

高超声速飞行器热防护系统方案快速设计方法

针对高超声速飞行器多学科优化设计的需求,基于飞行器几何外形、弹道和热防护材料、热防护系统型号数据库,通过气动热快速预测方法和一维热响应预报方法的研究,建立了一种通用高超声速飞行器热防护系统快速设计方法。该设计方法实现了热防护系统优化设计的自动化,避免了传统设计过程需要多种分析工具以及过程繁琐等不足。最后结合典型服役环境,利用该方法对类X—37B飞行器的热防护系统进行快速设计,得到热防护系统的总质量。结果表明,方法能够快速有效地进行高超声速飞行器热防护系统的设计。