高速远程地震黄土滑坡发生机制试验研究

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100km. 这种 超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力. 与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围 的稀薄空气影响至关重要,必须考虑. 计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程条件下, 超低弹道和经典的最小能量弹道对于火箭动力的需求大致相当,射程10000km以上基本相同. 头部半径为5cm的轴对称外形,沿超低弹道飞行时,其驻点热流在高度26km左 右达到最大值 50MW/m2, 约为最小能量弹道驻点热流最大值的50%. 由于超低弹道对升力没有要求, 飞行过程中的气动加热问题,沿用成熟方法如烧蚀防热即可解决. 总体而言,超低弹道对于 火箭动力与外形气动力/热要求,现有技术容易满足,因此利用它增强远程导弹的突防能力是 现实可能的.     

远程超低飞行轨道分析

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100 km.这种超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力.与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围的稀薄空气影响至关重要,必须考虑.计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程条件下,超低弹道和经典的最小能量弹道对于火箭动力的需求大致相当,射程10000km以上基本相同,头部半径为5cm的轴对称外形,沿超低弹道飞行时,其驻点热流在高度26km左右达到最大值50MW/m2,约为最小能量弹道驻点热流最大值的50%.由于超低弹道对升力没有要求,飞行过程中的气动加热问题,沿用成熟方法如烧蚀防热即可解决.总体而言,超低弹道对于火箭动力与外形气动力/热要求,现有技术容易满足,因此利用它增强远程导弹的突防能力是现实可能的.     

离心力和滑翔距离对于高超声速巡航飞行性能的影响

高超声速巡航飞行器(HCV)是21世纪国际空天技术竞争的焦点, 它的飞行性能可以用初始发射质量与广义有效载荷之比衡量. 文献[1]建立了该性能的耦合分析框架. 在这个框架下进一步考虑了离心力和滑翔距离两个重要因素的影响. 定量分析表明: 给定飞行距离, 对HCV飞行性能影响最大的是巡航速度, 其次是升阻比, 再次是巡航发动机比冲. 随着飞行距离的增加, 由于离心力和滑翔距离的计入, 火箭动力HCV的飞行性能大幅提高, 从近中程到远程均显著优于经典的最小能量弹道. 吸气式冲压发动机尽管比冲大幅优于火箭发动机, 但在巡航速度适用范围和飞行器升阻比方面, 均不及后者. 综合而言, 火箭动力HCV是现阶段非常有竞争力的选择.      

临近空间大气密度时空扰动规律及建模研究

大气密度是飞行器能源动力设计、飞行控制中的重要输入参数. 近年来, 多项研究发现, 对于临近空间高层大气, 常用经验模型如USSA-76, NRLMSISE-00的密度预示值偏大. 另外, 随着飞行器精细化设计趋势, 要求经验模型可预示不同纬度、昼夜和季节条件下的密度特性. 基于此, 本文利用卫星观测数据全面分析了临近空间大气密度随纬度、地方时、日期的变化规律, 包括变化模式和变化幅度. 纬度、日期引起的变化幅度大于地方时引起的变化幅度. 纬度、日期引起的密度变化在不同高度范围表现出不同模式; 变化幅度在78 km附近达最大值, 在22 km和92 km附近达局部极小值. 地方时引起的密度变化随高度递增. 根据大气密度的时空变化特性, 本文提出了临近空间大气密度的时空扰动模型, 该模型能描述临近空间大气密度及其随纬度、地方时、日期的变化规律. 与以往经验模型相比, 时空扰动模型可更好地描述不同高度下密度的时空变化规律. 在相同误差带条件下, 本文模型的置信度明显优于NRLMSISE-00. 本文建模方法合理, 模型结果对临近空间飞行器设计有应用价值.      

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

基于实验设计方法的高超声速飞机前缘型线优化分析

为探索前缘线变化对吸气式高超声速飞机气动性能的影响,基于一种旁侧进气布局翼身融合体构型,在飞行马赫数6,攻角4°和高度26 km的巡航飞行条件下,结合运用增量修正参数化设计方法、均匀实验设计方法和计算流体力学模拟,分析了飞行器前缘型线与其升阻力系数及纵向压心等性能参数间的关系.计算结果表明,前缘线形状对飞行器升阻力系数明显高于其对纵向压心影响,设计空间范围内升力系数变化约21.3%,阻力系数变化约31.8%,升阻比变化范围约10.63%,但相对压心变化范围仅为3.87%.在此基础上,通过对典型构型物面压力分布进行分析,发现前缘线形状适当弯曲可利用飞行器下表面侧壁压缩产生的高压气流,利用二者的耦合效应使飞行器获得额外的升力增量.      

高超音速飞行器及其关键技术简论

简要评述了高超音速飞行器及其关键技术, 包括: 高超音速飞行的定义、高超音速流动的特征、高超飞行覆盖范围、高超飞行器蒙皮温度、以及高超飞行设计特点; 高超飞行器的背景;高超飞行器研制的发展简史, 及经验与思考; 吸气式高超飞行器典型设计过程、发展战略、技术规划、和关键技术领域.      

基于光学数据的地球同步轨道目标定初轨方法

初轨确定的目的主要有两个,一是为空间目标精密轨道计算提供初值,二是为空间目标轨道测量数据相互关联提供初值,其重要性不言而喻。根据地球同步轨道目标的轨道运行特征,在观测弧段内相对测站几乎保持相对静止。由于光学测角数据中缺乏测距的约束,在基于短弧段的光学测角数据采用传统的Laplace方法计算其初始轨道时,由于观测条件的病态性,迭代过程大多发散,难以得到收敛的初轨结果。鉴于上述原因,本文采用遍历搜索轨道半长轴的方法,提出了基于给定半长轴引入伪测距的初轨确定方法,经过仿真数据检验,该方法初轨确定成功率优于95%,有效地解决了地球同步轨道带近圆轨道目标初轨确定过程中迭代难以收敛的问题。

     

关于发射人造地球卫星的最佳轨道

从动力的要求考虑,[1]中指出,发射人造地球卫星的轨道最好分为三段:一是由地面起飞冲破大气层到达一定高度的主动段,二是自由飞行段,最后是在卫星运行轨道附近通过冲击使卫星进入预定轨道的很短主动段。最佳要求是使整个发射过程中的火箭发动机的特征速度总需要量最小。分析问题时,通常认为冲击是瞬时作用的,又自由飞行段与     

大椭圆轨道卫星天文/雷达高度计组合导航方法

为了实现大椭圆轨道卫星在整个轨道上的自主导航,提出了一种天文导航与雷达高度计测高相结合的组合导航方法。由于大椭圆轨道卫星在近地点动力学特性变化剧烈,单纯的以星光仰角为观测量的天文导航方法精度严重下降。雷达高度计能够直接获得高度测量,但是受其体积和功率的限制,测量范围仅为1000 km以下的高度。考虑到两种方法的特点,采用两种方法的组合导航方案,利用UKF滤波方法进行导航估计。当卫星进入近地点附近,其高度小于1000 km时,在天文导航中引入雷达高度计测量实现精确导航;当卫星在远地点时,则仅采用天文导航方法。仿真结果表明,所提出的组合导航方案,能够充分结合两种导航方法的特点,实现大椭圆轨道卫星自主、连续的导航信息输出,其导航精度较单纯的天文导航方法提高约68.9%。     

电火箭星际航行：技术进展、轨道设计与综合优化

早在1963年, 钱学森先生在他出版的专著《星际航行概论》中阐述了星际航行研究的重要性以及电火箭技术在星际航行中的应用前景. 与传统化学推进相比, 高比冲电火箭或电推进技术有望为星际航行任务承载更多有效载荷以及实现更佳航行性能. 与此同时, 与电火箭技术应用相关的连续推力轨道分析与优化设计为航天轨道力学注入了新的研究内容, 并指导着电火箭星际航行的未来发展. 该文将依次介绍电火箭技术进展、连续推力轨道设计以及电火箭星际航行的综合优化问题, 力图描述电火箭应用于星际航行的基本内容与实现途径以及应用于载人深空飞行的设想.     

卫星编队构型设计与轨道机动算法优化

卫星编队与轨道机动是完成在轨监视与捕获等空间任务的关键技术。针对追踪航天器在相对目标航天器的绕飞过程中特殊构型的编队飞行问题,提出了三种特殊的编队构型机动方案;针对近距离轨道逼近问题,分析了同平面轨道变轨策略和轨道转移能耗最优化问题,在此基础上给出了三脉冲升降轨机动方法,并可以根据需要将其扩展为N脉冲机动。以目标星运行轨道高度780 km为例进行仿真分析,结果表明平行四边形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量分别为0.1172m/s、0.1843 m/s,而花形编队和菱形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量均为0.1978m/s,从而验证了所提出方法的有效性。     

陀螺进动与强迫进动轨道

陀螺进动与轨道进动现象的相似性归因于二者的动力学相似性. 通过类比二者的动力学模型,提出了一类强迫进动轨道. 若以圆轨道为初始轨道,通过施加常值法向力可以实现一种特殊的悬浮型强迫进动轨道. 采用四元数建模方法求解了这种强迫进动轨道的进动规律,给出了解析表达式,据此分析了这种轨道的性质. 分析结果表明这种强迫进动轨道与初始圆轨道在同一球面上,且与初始位置相切. 其角速度为进动角速度与初始轨道角速度的合成,是一种悬浮轨道,即属于非开普勒轨道. 悬浮轨道在地球观测、行星际科学、天文观测、无线电通讯以及地球工程等领域具有潜在应用前景. 从强迫进动的角度出发所作的分析为悬浮轨道的实现提供了一种新途径.     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

近空间飞行器的气动复合控制原理及研究进展

简单回顾与讨论了在飞行器穿越大气层时,使用气动复合控制方案的必要性与可能性.其中最复杂情况为发动机喷流推力与舵面空气动力共同使用所形成的复合控制.喷流与外流相撞引起的强干扰形成了十分复杂的干扰流场,文中介绍了复杂流动形成的原因、流场结构的特点以及干扰引起的流场改变影响了飞行器性能的预估.基于3种研究途径:理论建模与数值模拟技术、地面试验模拟技术、飞行试验技术的研究,以及它们的发展及互相验证, 用来预估飞行器的性能.为了保证地面模拟与真实飞行之间存在相似关系, 研究相似准则的作用,及分析目前的模拟能力, 涉及到许多空气动力学界至今尚未解决的难题,为了解决这些困难对今后的研究及应用提出了多方面的需求.      

近空间飞行器中的重大力学问题专题序言

序言近空间(near spaoe)是指距地面(20～100)km的空域,包括了自然大气层中从对流层顶、平流层、中间层和热层的很小一部分.大致介于目前一般飞机的静升限和空间轨道飞行器的高度下限之间.由于其重要的开发应用价值而成为国际上非常热门的一个话题.     

载人月球极区探测轨道方案设计及能力需求分析

月球极区是国际新一轮载人登月重点关注的探测区域,其探测价值和探测难度都超过了月球低纬度区域。本文针对未来月球极区探测,提出了适用于载人飞行的轨道方案,并开展了地月往返转移轨道设计。在此基础上通过研究其轨道特性,得到了飞行器到达月球轨道的可达域以及月地返回的出发域,并依此分析了月地转移窗口和月面停留时间对飞行器的能力需求,可为未来载人月球极区探测任务设计提供参考。

     

MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION AND AERODYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF THE UPPER SURFACE FOR HYPERSONIC VEHICLES

为分析小攻角巡航条件下吸气式高超声速飞行器上壁面的变化对其气动性能和容积的影响, 以参数化后的飞行器上壁面对称面型线为设计变量, 在飞行马赫数6.5, 飞行高度27 km, 飞行攻角为4°的条件下, 采用计算流体力学为性能分析工具, Pareto多目标遗传算法为优化设计方法, 开展了二维条件下的升阻比/容积双目标优化设计. 在此基础上, 选择典型的二维优化结果, 重构生成对应的三维构型并进行数值分析, 获得了飞行器气动性能和容积间的相互关系. 结果表明在巡航条件下, 尽管二维/三维条件下飞行器的气动参数数值有较大差别, 但在这2种条件下, 飞行器的升阻比和容积间的关系均近似呈线性反比例关系. 同时, 对于三维构型而言, 在给定容积不变的条件下, 通过改变上壁面对称面型线的形状仅能使升阻比获得较小的增量(约0.36%). 相比之下, 当给定升阻比基本不变的条件下, 飞行器容积可调空间相对较大, 约为1.93%. 此外, 计算结果还表明, 在飞行器的容积基本不变情况下, 通过调节上壁面对称面型线, 可使飞行器的俯仰力矩获得5%左右的调节空间, 且其升阻比基本不变.     

多星编队构型重构全局优化策略1）--第七届全国空间轨道设计竞赛乙题解法

第七届全国空间轨道设计竞赛乙组题目以近地轨道卫星编队的燃料最优构型重构问题为背景,要求合理设计从星的相对飞行轨迹,构建尽可能多的目标构型,并考虑燃料消耗均衡分配问题.本文介绍了该题目的解法,包括问题分析、求解方案以及相关计算结果.由于燃料最优控制问题可用能量最优控制问题近似,文中采用能量最优连续推力优化模型近似计算燃料最优控制律.首先通过优化分析两两构型之间的燃料消耗,确定了构建4种目标构型的次序;然后综合考虑构型保持时间约束以及相位约束,采用混合PSO（particle swarm optimization）算法进行全局优化;最后将影响燃料消耗指标的从星相对飞行轨迹的连续推力段转化为bang-bang控制.     

多星编队构型重构全局优化策略——第七届全国空间轨道设计竞赛乙题解法

第七届全国空间轨道设计竞赛乙组题目以近地轨道卫星编队的燃料最优构型重构问题为背景,要求合理设计从星的相对飞行轨迹,构建尽可能多的目标构型,并考虑燃料消耗均衡分配问题.本文介绍了该题目的解法,包括问题分析、求解方案以及相关计算结果.由于燃料最优控制问题可用能量最优控制问题近似,文中采用能量最优连续推力优化模型近似计算燃料最优控制律.首先通过优化分析两两构型之间的燃料消耗,确定了构建4种目标构型的次序;然后综合考虑构型保持时间约束以及相位约束,采用混合PSO（particle swarm optimization）算法进行全局优化;最后将影响燃料消耗指标的从星相对飞行轨迹的连续推力段转化为bang-bang控制.