序

半个世纪以来, 航天动力学的研究取得了较为丰硕的成果, 中国航天走出了一条独立自主的发展道路, 先后成功实现了\东方红一号" 卫星、载人航天工程和探月工程三大里程碑的跨越. 2012 年6 月29日, 神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器载人交会对接任务的顺利完成, 标志着我国航天技术水平又向前迈进了一大步. 航天器和运载火箭作为体现航天技术发展的主要载体, 其研制、发射和运行是一项庞大的系统工程, 而动力学分析、设计及试验验证则是航天器和运载火箭研制过程中的重要环节, 动力学建模、分析方法及试验技术的正确合理性直接影响着航天器和运载火箭的设计水平, 甚至决定着航天任务的成败.      

航天动力学研究进展专辑 序

半个世纪以来,航天动力学的研究取得了较为丰硕的成果,中国航天走出了一条独立自主的发展道路,先后成功实现了“东方红一号”卫星、载人航天工程和探月工程三大里程碑的跨越．2012年6月29日,神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器载人交会对接任务的顺利完成,标志着我国航天技术水平又向前迈进了一大步．航天器和运载火箭作为体现航天技术发展的主要载体,其研制、发射和运行是一项庞大的系统工程,而动力学分析、设计及试验验证则是航天器和运载火箭研制过程中的重要环节,动力学建模、分析方法及试验技术的正确合理性直接影响着航天器和运载火箭的设计水平,甚至决定着航天任务的成败．     

重复使用火箭着陆结构稳定性分析

近年来,包括中国在内的诸多国家相继开展垂直起降重复使用火箭的研究,运载火箭在平台上垂直着陆时的着陆稳定性为实现运载火箭重复使用的关键问题. 由于在运载火箭设计初期结构设计尚未完成,不具有供着陆稳定性分析的详细的动力学模型,难以开展着陆过程动力学仿真,故对运载火箭着陆稳定性评估方法的研究尤为必要. 本文基于广义碰撞定律,对二维运动模式下运载火箭与着陆平台的多点碰撞过程进行了分析,切向采用库伦摩擦模型给出了切向运动学恢复系数的表达式. 本文首先通过机械能约束和接触碰撞中的单边约束给出了一般运动形式下广义运动学恢复系数的值域,再对两种典型运动模式,给出了该两种典型运动模式下广义运动学恢复系数的值域. 然后考虑着陆腿中缓冲器的作用,将运载火箭与平台的碰撞近似为完全非弹性碰撞,得到了其广义运动学恢复系数,并结合运动学分析和能量法提出了一种基于碰撞后速度的着陆稳定性的判别方法. 最后以某型运载火箭着陆样机的参数为例,分析了碰撞前速度、着陆腿跨距、摩擦系数对着陆稳定性的影响,结果表明,本文提出的稳定性判别方法较能量法更为精确,可以考虑触地速度、角速度、摩擦系数等参数间的耦合关系.      

STABILITY ANALYSIS OF REUSABLE LAUNCH VEHICLE LANDING STRUCTURE$^{\bf 1)}$

近年来,包括中国在内的诸多国家相继开展垂直起降重复使用火箭的研究,运载火箭在平台上垂直着陆时的着陆稳定性为实现运载火箭重复使用的关键问题. 由于在运载火箭设计初期结构设计尚未完成,不具有供着陆稳定性分析的详细的动力学模型,难以开展着陆过程动力学仿真,故对运载火箭着陆稳定性评估方法的研究尤为必要. 本文基于广义碰撞定律,对二维运动模式下运载火箭与着陆平台的多点碰撞过程进行了分析,切向采用库伦摩擦模型给出了切向运动学恢复系数的表达式. 本文首先通过机械能约束和接触碰撞中的单边约束给出了一般运动形式下广义运动学恢复系数的值域,再对两种典型运动模式,给出了该两种典型运动模式下广义运动学恢复系数的值域. 然后考虑着陆腿中缓冲器的作用,将运载火箭与平台的碰撞近似为完全非弹性碰撞,得到了其广义运动学恢复系数,并结合运动学分析和能量法提出了一种基于碰撞后速度的着陆稳定性的判别方法. 最后以某型运载火箭着陆样机的参数为例,分析了碰撞前速度、着陆腿跨距、摩擦系数对着陆稳定性的影响,结果表明,本文提出的稳定性判别方法较能量法更为精确,可以考虑触地速度、角速度、摩擦系数等参数间的耦合关系.     

具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究

弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.      

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.      

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5％,共振频率处传递特性改善30％~40％.      

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5%,共振频率处传递特性改善30%～40%.     

航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

水下发射水动力的多尺度预测网络研究

空泡的演化和水动力特征的预测在航行体发射的设计中有非常重要的意义. 人工智能技术已经成为了参数预测的重要手段.为了能够快速预测航行体水下发射过程的尾部压力的复杂变化, 提出了一种多尺度深度学习网络.该网络模型以一维卷积网络(1DCNN)为基础,构建了一种编码-解码型网络结构,通过不同的采样频率将原始数据分解为光滑部分和脉动部分,进而训练低保真度的大尺度网络和高保真度的小尺度网络.从而实现对不同物理过程的响应和捕捉.首先,通过数值模拟获得了不同发射条件下的尾部压力曲线,并结合空泡的理论机理构建了具有物理性的输入数据集.其次,将数据集进行分解处理,分别训练了两个尺度的深度学习网络. 最终将两组输出数据整合在一起,建立了底部压力预测模型.并通过测试和验证说明本文提出的多尺度网络对于多种常见的发射条件,能够实现航行体受力特征的快速准确的预测,光滑曲线、压力突变、震荡的频率和幅值都和数值模拟的结果吻合.证明本文的方法能够为运动和弹道的预测提供依据.      

EFFECTIVENESS OF THE PROPELLENT CROSS-FEED TECHNOLOGY FOR LAUNCH VEHICLE

本文结合弹道优化,提出了估算和优化二级半构型运载火箭在不同发射模式和发射弹道下的近地轨道(low Earth orbit, LEO)最大运载能力的简单方法,并以长征七号为例进行了数值计算, 分析了使用推进剂交叉输送技术发射时的具体收效和最优弹道特点。数值计算表明：长征七号使用交叉输送技术发射时LEO最大运载能力能够比传统发射模式提高3 t(约20%), 同时降低发射过程中的最大轴向加速度近50%。该类型运载火箭采用推进剂交叉输送技术可以大幅提高运载能力。     

RECOVERY STRATEGY OF LAUNCH VEHICLE BASED ON CONTROLLABLE NETWORK

运载火箭回收技术已经成为热门研究课题,本文提出了一种基于拉网主动控制的运载火箭回收策略,介绍了基本工作原理及组成,给出了初步设计。     

基于拓扑优化技术的集中力扩散结构设计

对于运载飞行器一类由多个部段装配而成的复杂结构, 外载荷往往被转化为多点集中载荷传递到结构某一部段, 为此, 结构上需要采取使集中力扩散的措施. 基于连续体拓扑优化, 以结构最小柔顺性为目标函数, 同时考虑设计域内材料用量约束和考查区域(承载结构)内力均匀性约束, 提出了集中力扩散结构优化设计的理论模型, 并给出了平面和三维两种不同的优化算例, 均得到了合理的优化设计结果. 最后, 针对运载火箭燃料贮箱短壳, 考虑工程实际的受力及约束情况, 给出了可行的概念性设计方案.      

一种单级入轨火箭发动机概念──气动塞式喷管发动机

综述了研制新一代可重复使用的航天运载器推进系统的需求和目标,介绍了一种单级入轨的火箭发动机概念──气动塞式喷管发动机,并给出了有关气动塞发动机的概念分析、研究进展和工作展望．     

Monte Carlo simulation of stage separation dynamics of a multistage launch vehicle

This paper provides the formulation used for studing the cold and hot separating stages of a multistage launch vehicle. Monte Carlo simulation is employed to account for the off nominal design parameters of the bodies undergoing separation to evaluate the risk of failure for the separation event. All disturbances, effect of dynamic unbalance, residual thrust, separation disturbance caused by the separation mechanism and misalignment in cold and hot separation are analyzed to find out nonoccurrence of collision between the separation bodies. The results indicate that the current design satisfies the separation requirements.     

一种可用于运载火箭的SINS/GNSS自主导航方案

研究了一种可用于运载火箭的SINS/GNSS自主导航方案。起飞前捷联惯组采用基于惯性系重力加速度积分的解析粗对准和卡尔曼滤波精对准,起飞后采用SINS/GNSS卡尔曼滤波组合导航反馈实时修正姿态、速度和位置。仿真结果表明捷联惯组水平自主对准误差0.01°,方位自主对准误差1.5°,起飞后经组合导航修正后的姿态误差小于0.2°,速度误差小于0.4m/s,位置误差小于40m,考虑所有误差的蒙特卡罗仿真结果满足火箭入轨精度要求,此方案具有较高的工程应用价值。     

Forced vibrations of multi-component compliant tanks and feedlines

An analytical and experimental research program was performed to investigate the effects of flexible tanks and lines and the total system dynamic response of a simple physical system which had some of the essential features of a liquid-fueled launch vehicle. Several vessel-wall materials were used to obtain a range of elastic moduli. Water was used to simulate the fuel and an electromagnetic shaker provided external excitation such as might originate from a rocket-propulsion system. Experimental data were compared to values obtained from mathematical models for the many degree-of-freedom lumped-mass representation.     

液体火箭爆炸地面有害气体生成与扩散分析

建立了自燃液体推进剂运载火箭爆炸时地面残余推进剂蒸发模型和产生的有害气体在大气中的扩散模型,给出了N2O4/UDMH液体推进剂爆炸产生的地面推进剂残留量、推进剂污染区直径、大气环境中地面残余N2O4和UDMH推进剂蒸发速率等参数的实验结果。利用该理论模型对大型运载火箭发生意外爆炸事故产生的地面残余推进剂蒸发时间和形成的有害气体危害范围进行了估算。该理论模型可为航天发射场制定安全防护措施提供有用的评估方法。