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基于二阶全驱系统的航天器姿态避障控制

航空学报 2024年第1期45卷 94-102页

作者：鲁明陈雪芹吴凡曹喜滨哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交... 详细信息

针对航天器大角度姿态机动任务,考虑存在姿态禁止区域和干扰力矩影响,提出一种基于全驱系统模型的姿态机动控制方法。基于三维特殊正交群直接描述姿态运动并基于其李代数——指数坐标建立了误差姿态二阶全驱模型;提出基于三维特殊正交群的障碍李雅普诺夫函数,保证在其有界情况下姿态约束得到遵守;最后提出包含障碍李雅普诺夫函数的总李雅普诺夫函数,使用滑模技术并结合二阶全驱模型中参数矩阵的性质消除导数中的非线性项得到简洁的控制律。数值仿真结果显示,在所提出的控制方法作用下,航天器能够避开姿态禁止区域并收敛于期望姿态,并且稳态误差和控制能耗相比现有同类方法表现优异。

关键词：全驱系统李群指数坐标姿态机动控制障碍李雅普诺夫函数

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超高温陶瓷复合材料研究进展

无机材料学报 2024年第6期39卷 571-590页

作者：张幸红王义铭程源董顺胡平哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150001

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异... 详细信息

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,是一类极具应用潜力的非烧蚀型热防护材料。然而,本征脆性问题限制了超高温陶瓷复合材料的工程化应用,需通过组分结构调控对其进行强韧化。同时,飞行器有效载荷提升也对超高温陶瓷复合材料提出了轻量化的要求。本文系统概述了超高温陶瓷复合材料近年来取得的主要研究进展,包括压力烧结、泥浆浸渍、前驱体浸渍裂解、反应熔渗、化学气相渗透/沉积与“固-液”组合工艺等制备方法,颗粒、晶须、软相物质、短切纤维和连续纤维等强韧化方法及其机制,抗氧化烧蚀性能与机理,以及轻量化设计等。讨论了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系,并指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战以及未来的发展趋势。

关键词：超高温陶瓷复合材料强韧化抗氧化烧蚀轻量化综述

碳纤维增韧陶瓷基复合材料高温氧化性能研究进展：氧化机制、氧化损伤实验与模型

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4518-4534页

作者：方国东王章文李赛王兵孟松鹤哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机制对热防护材料... 详细信息

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机制对热防护材料设计及性能表征与评价至关重要，也一直是国内外学者研究的热点。本文从高温氧化机制、耦合失效实验、高温氧化模型3个方面对C/SiC和C/ZrB2-SiC复合材料进行详细论述和总结，对相应的研究方法的局限性和适用范围进行分析和评价，并展望了碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化损伤研究的发展趋势，进而为碳纤维增韧陶瓷基复合材料在热力氧耦合条件下的热/力响应及性能评价研究起到指导作用。

关键词：碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化机制损伤失效实验氧化模型

超轻质石英/酚醛复合材料烧蚀行为与多物理场数值模拟

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4802-4816页

作者：闫晓杰金翔宇黄鹤范召林张幸红洪长青哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变... 详细信息

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变化规律，模型预测的温度结果与烧蚀实验中测量结果吻合。根据各项传热模式的热流分析结果可见，对防/隔热机制影响最主要的是热辐射、热阻塞和二氧化硅气化。针对超轻质石英/酚醛复合材料的典型服役工况，采用0.5～2.5 MW/m2之间热流密度作为环境输入参数，研究了不同热流密度条件下超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀行为，结果表明：超轻质石英/酚醛复合材料表面烧蚀后退量随热流密度的增加而增加；热流密度小于1.5 MW/m2时表面液态层厚度随热流密度的增加而增加，热流密度大于1.5 MW/m2时表面液态层厚度基本保持不变。该模型为深入研究超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀机制提供一定的指导。

关键词：超轻质石英/酚醛复合材料高温烧蚀试验多物理场有限元法二氧化硅相变

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超构透明吸波体的研究前沿与展望

中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1021-1035页

作者：宋梓诚闵萍萍张锐聪贺乔柏杨磊王天宇韩杰才朱嘉琦哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学郑州研究院郑州450018 哈尔滨工业大学分析测试中心哈尔滨150080 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150080

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透... 详细信息

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透明吸波体,上述核心性能指标得到显著改善,从而促进了其在电磁隐身领域的实际应用.本文针对超构透明吸波体研究工作进行了综述,首先介绍了透明吸波体的光学透明与电磁隐身原理,并对经典透明吸波体工作原理与局限进行分析与总结.随后对超构材料改善透明吸波体在宽带电磁吸收、倾角与极化稳定性经典性能的研究进展与设计方法进行了总结.为预示未来发展方向,本文详细阐述了近年来透明吸波体在混合机制设计、多光谱设计、动态可调性能的技术原理与研究前沿,并展望了新兴方向为透明吸波体带来的多机制、多功能、智能化的发展机遇.

关键词：透明吸波体电磁隐身宽带雷达散射截面积漫反射吸波体

复杂曲面微织构五轴联动激光微铣削精密加工技术研究

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机械工程学报 2024年第15期60卷 368-378页

作者：李鹤赵学森张俊杰马文启胡振江孙涛哈尔滨工业大学精密工程研究所哈尔滨150001

激光微加工被广泛用于制备平面功能表面微织构,具有质量高、成本低和效率高等优势,但是在加工曲面微织构时存在烧蚀范围有限、光束入射角频繁变化而导致加工质量低等问题。为了实现曲面工件高质量表面微织构的高精度激光加工,提出一种... 详细信息

激光微加工被广泛用于制备平面功能表面微织构,具有质量高、成本低和效率高等优势,但是在加工曲面微织构时存在烧蚀范围有限、光束入射角频繁变化而导致加工质量低等问题。为了实现曲面工件高质量表面微织构的高精度激光加工,提出一种将多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的多轴联动激光微铣削加工方法,采用激光束与曲面法线恒定重合的策略来实现高质量曲面微织构的激光微加工。首先,解析研究平面-曲面微织构的投影变化法则、激光-曲面相互作用点位置和姿态调整的运动学特性,确定激光加工轨迹的离散约束条件。其次,提出激光束与曲面法线恒定重合的加工策略,设计并研制了五轴联动激光微铣削机床,通过开发虚拟仿真环境确定其加工性能。最后,开展复杂曲面微织构的五轴联动激光微铣削加工实验和表征,在高陡度小尺寸的不锈钢曲面工件上制备了形状复杂的高精度表面微织构。研究结果显示,采用多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的加工方法可以实现曲面微织构连续且均匀地激光微加工,为在高陡度小尺寸复杂曲面上制备高质量微织构提供了一种可行方法。

关键词：曲面微织构激光微铣削五轴联动运动位姿调控

不完全信息Epsilon纳什均衡的航天器末端追逃博弈策略

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宇航学报 2024年第1期45卷 63-73页

作者：汤旭叶东肖岩孙兆伟哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对不完全信息下的航天器末端追逃问题,提出了一种满足Epsilon纳什均衡的微分博弈控制策略。首先,建立了完全信息下的有限时间追逃纳什均衡策略对,并将其作为目标航天器实际采取的控制策略,使目标航天器掌握博弈进程的完全信息,进而获... 详细信息

针对不完全信息下的航天器末端追逃问题,提出了一种满足Epsilon纳什均衡的微分博弈控制策略。首先,建立了完全信息下的有限时间追逃纳什均衡策略对,并将其作为目标航天器实际采取的控制策略,使目标航天器掌握博弈进程的完全信息,进而获得更好的逃逸性能。在此基础上,考虑拦截航天器不能获取目标控制矩阵信息的态势,设计了基于广义卡尔曼滤波的行为学习信息估计算法,使拦截器能够对目标的不完全信息进行估计,并提出了不完全信息下的末端追逃博弈控制策略。经过理论分析,证明了所设计的不完全信息下微分博弈策略对满足Epsilon纳什均衡。最后,仿真结果表明该算法可以有效估计目标的不完全信息,确保拦截器能够在有限时间内快速拦截目标。

关键词：航天器追逃追逃博弈策略 Epsilon纳什均衡不完全信息估计

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月壤-柔性充气膜组合式防护层力热性能分析

宇航学报 2024年第5期45卷 778-789页

作者：迟海义袁帅潘文特高飞宇张泽旭王永滨哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 哈尔滨工业大学建筑学院哈尔滨150090 北京空间机电研究所北京100094

面向未来月球驻人基地建设速度快、运输成本低、可靠性高的需求,提出了月壤-柔性充气膜组合式防护层结构与刚性舱体相结合的月球基地建造方案。该建造方案以柔性充气膜作为主体承力结构,下方放置刚性舱体。对柔性充气膜单元进行模态分析... 详细信息

面向未来月球驻人基地建设速度快、运输成本低、可靠性高的需求,提出了月壤-柔性充气膜组合式防护层结构与刚性舱体相结合的月球基地建造方案。该建造方案以柔性充气膜作为主体承力结构,下方放置刚性舱体。对柔性充气膜单元进行模态分析,探究柔性充气膜单元固有振动频率与内压、覆盖月壤的厚度的关系,通过调整防护层参数改变结构频率从而避免与月震发生共振;在柔性充气膜上覆盖松软月壤并烧结表层月壤,通过热学与辐射仿真分析,对松软月壤隔热效果与防护层屏蔽辐射效果进行模拟,确定二者厚度,并对隔热性能与物性参数的敏感性进行探究;通过力学分析,探究柔性充气膜在给定厚度防护层下的变形量与膜厚、内压、肋径的关系。计算与仿真结果表明,该建造方案可以有效应对月面粒子辐射、月震与大交变温差环境,结构具有良好的力学稳定性,可为未来月球基地建造方式提供参考。

关键词：月球基地月壤-柔性防护层极端温度静力学分析

利用离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议

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电子与信息学报 2024年第5期46卷 1931-1939页

作者：李博王改芳杨洪娟茹雪菲张敬淳王钢哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院威海264209 哈尔滨工业大学通信技术研究所哈尔滨150001

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网... 详细信息

针对传统的无人机编队路由算法无法有效利用拓扑变化的可提前预知特性、以发送探测包的方式获取链路的连接情况会导致开销大等问题,该文引入时变图模型,提出了基于离散时间聚合图的无人机编队最短时延路由协议。首先,利用无人机编队网络的先验知识,如节点的运动轨迹以及网络拓扑变化情况,使用离散时间聚合图对网络的链路资源和拓扑进行表征。其次,基于该图模型设计路由决策算法,即在路由探索阶段将链路时延作为链路权重求解网络的源节点到目的节点的最短时延路由。最后,性能仿真结果表明,该路由协议与传统按需距离矢量路由协议相比提高了网络的分组投递率、降低了端到端时延和网络的控制开销。

关键词：无人机自组网无人机编队时变图模型最短时延路由