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喷气驱动航天器姿态控制强化学习算法及实验

宇航学报 2024年第6期45卷 903-913页

作者：杜德嵩刘延芳袁秋帆赵福友齐乃明哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 上海宇航系统工程研究所上海201109

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束... 详细信息

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束条件,隐式地解决推力分配优化和控制量饱和问题;设计姿态控制强化学习算法,并引入基于样本数据的航天器姿态稳定性定理,保证学习得到的控制策略的稳定性。仿真结果表明,与主流的强化学习算法和传统姿态控制方法相比,所提出的姿态控制算法在敏捷性方面表现出显著优势。此外,将控制策略移植到半物理仿真平台,控制策略能够有效完成航天器的大角度机动任务,从而证明了通过所提出的姿态控制算法训练得到的控制策略具有良好的泛化性和鲁棒性。

关键词：强化学习姿态控制李雅普诺夫函数半物理仿真

二次燃烧对多喷管运载火箭底部热环境影响研究

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航空动力学报 2024年第6期39卷 287-298页

作者：周志坛李怡庆江平包轶颖南昌航空大学飞行器工程学院南昌330063 上海宇航系统工程研究所上海201109

火箭飞行时,尾焰中富燃燃气将继续与空气中氧气发生二次燃烧,导致尾流场温度升高。基于三维可压缩Navier-Stokes方程、混合RANS/LES湍流模型、DOM辐射模型和有限速率化学动力学模型建立多喷管火箭尾焰反应流模型,并通过与风洞试验数据... 详细信息

火箭飞行时,尾焰中富燃燃气将继续与空气中氧气发生二次燃烧,导致尾流场温度升高。基于三维可压缩Navier-Stokes方程、混合RANS/LES湍流模型、DOM辐射模型和有限速率化学动力学模型建立多喷管火箭尾焰反应流模型,并通过与风洞试验数据对比验证了模型有效性。基于此,开展了6个不同高度下双喷管火箭和四喷管火箭反应流与冻结流流场对比分析。研究表明:二次燃烧主要发生在羽流混合层中,引起的流场峰值温度增幅随飞行高度增加而减小,最高可达10.16%,最低仅为0.86%。同一高度下,当羽流由近场向远场转变时,二次燃烧效应逐渐增强。相较于双喷管火箭,二次燃烧对四喷管火箭底部热环境影响更小。另外,多喷管火箭底部峰值热流随高度增加基本表现为先增大后减小的趋势。

关键词：二次燃烧多喷管运载火箭热环境反应流冻结流

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数据驱动的液体火箭发动机健康监测算法研究

西安交通大学学报 2024年第4期58卷 182-191页

作者：刘梓琰吴毅伟王冠李璨王姝淇陈海宝北京宇航系统工程研究所北京100076 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

针对火箭发动机氧涡轮转子轴盘根部断裂、轴盘接合处裂纹等故障难以识别定位的问题,基于某型液体火箭发动机测试数据,构建机器学习、数据分析等方法,绕过其内部复杂物理机理,从数据层面对氧涡轮泵进行故障检测与模式判别。对于故障检测... 详细信息

针对火箭发动机氧涡轮转子轴盘根部断裂、轴盘接合处裂纹等故障难以识别定位的问题,基于某型液体火箭发动机测试数据,构建机器学习、数据分析等方法,绕过其内部复杂物理机理,从数据层面对氧涡轮泵进行故障检测与模式判别。对于故障检测,提出了两种分别适用于速变数据与缓变数据的故障检测算法,两种算法能够处理多种工况下的火箭发动机数据,经检验,这两种算法都具有较高的准确率,分别为84.2%、94.9%。针对故障模式判别,给出了一种基于滑动窗口的聚类算法,可以实现不同故障模式的区分,其中针对两种故障模式的识别准确率分别达到了86.2%、95.5%,并且给出了两种故障模式对应的振动数据异常频率区间,这可为相关研究人员提供与故障有关的有用线索。

关键词：液体火箭发动机数据驱动故障检测健康监测

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适应火工装置冲击环境的铝蜂窝缓冲特性研究

振动与冲击 2024年第5期43卷 292-301,314页

作者：史文辉岳帅刘洲肖余之杜忠华刘志高光发南京理工大学机械工程学院南京210094 上海宇航系统工程研究所上海201109 上海航天技术研究院上海201109

针对火工装置发射过程中对卫星平台产生的冲击,设计了一种基于铝蜂窝的新型空间发射缓冲结构,通过火药密爆试验和铝蜂窝准静态压溃试验分别建立了空间火工发射装置内弹道模型和铝蜂窝压溃模型,在此基础上建立了发射后坐动力学模型,并重... 详细信息

针对火工装置发射过程中对卫星平台产生的冲击,设计了一种基于铝蜂窝的新型空间发射缓冲结构,通过火药密爆试验和铝蜂窝准静态压溃试验分别建立了空间火工发射装置内弹道模型和铝蜂窝压溃模型,在此基础上建立了发射后坐动力学模型,并重点研究了火药药量和铝蜂窝内径对发射后坐特性的影响。研究结果表明:当火药药量增大0.3 g,后坐力平均值增大了1.95%,牵引体发射速度增大了5.10%,后坐位移增大了7.64%,后坐力持续时间减小10.3%。当铝蜂窝内径从148 mm分别减小1 mm和2 mm时,后坐力平均值增大了4.06%和9.08%,牵引体发射速度增大了0.22%和0.54%,后坐位移增大了3.38%和15.24%。同时以上参数的合理选择可以有效降低发射后坐力并保证牵引体的发射性能。

关键词：火工装置铝蜂窝发射后坐缓冲特性

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热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究

核动力工程 2024年第2期45卷 63-71页

作者：韩旭帆欧阳泽宇王钊单建强西安交通大学核科学与技术学院西安710049 上海宇航系统工程研究所上海201100

为分析热离子空间堆电源负荷跟踪运行特性,本研究采用可复用的层次化组件模型的Fortran语言建立热离子空间堆TOPAZ-II系统程序。分析了铯蒸汽压力和电极间隙对输出电功率的影响,利用堆芯反应性反馈和外部负载电阻协同控制的方法,分析不... 详细信息

为分析热离子空间堆电源负荷跟踪运行特性,本研究采用可复用的层次化组件模型的Fortran语言建立热离子空间堆TOPAZ-II系统程序。分析了铯蒸汽压力和电极间隙对输出电功率的影响,利用堆芯反应性反馈和外部负载电阻协同控制的方法,分析不同载荷变化下热离子空间堆电源在轨运行的负荷跟踪运行特性。结果表明对于稳态电功率为5.5 kW的工况,电功率在0.95~7.25 kW之间变化时,慢化剂温度不会发生明显变化,此时堆芯具有自稳特性;超过这个范围,堆芯则失去自稳特性,这与慢化剂的正温度反应性反馈密切相关。

关键词：热离子空间堆电源程序开发负荷跟踪

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结构动力学有限元混合分层并行计算方法

工程力学 2024年第9期41卷 1-8页

作者：喻高远李俊杰楼云锋金先龙上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201108

为减小利用异构众核分布式存储计算机并行求解大规模、超大规模系统结构动力学有限元问题对计算效率造成的损失,在区域分解法的基础上,提出了一种结构动力学有限元混合分层并行计算方法。在该方法中,引入计算过程数据的分布式存储提升... 详细信息

为减小利用异构众核分布式存储计算机并行求解大规模、超大规模系统结构动力学有限元问题对计算效率造成的损失,在区域分解法的基础上,提出了一种结构动力学有限元混合分层并行计算方法。在该方法中,引入计算过程数据的分布式存储提升数据的内存访问效率。为了弥补传统区域分解法界面方程规模随子区域增加造成通信开销增加的缺点,采用基于网格区域和求解算法区域的混合并行分区,从而降低界面方程的规模,大幅度减少界面方程的求解时间。利用计算过程的三层并行实现计算节点间通信、异构群组间通信与异构群组内通信分离,从而有效提高了通信效率。因此,该方法能够充分利用国产异构众核分布式存储计算机的体系结构特点提升大规模、超大规模系统结构动力学并行计算效率。通过对基准实例的求解,验证了该计算方法的有效性和优越性。

关键词：异构众核分布式存储区域分解混合并行缩聚

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小型月面跳跃机器人设计及运动建模

上海交通大学学报 2024年

作者：严赫朱星月侯张俪王卫军张执南上海交通大学机械与动力工程学院上海宇航系统工程研究所

跳跃是月面探测机器人的一种可行的运动方式。由于缺乏与月壤特性的耦合研究，跳跃机器人在月面探测中尚未有成熟的应用。针对月面探测器5 kPa的承载指标，开展机器人与月面的耦合研究，提出跳跃机器人新型储能腿构型，实现起跳时初速... 详细信息

跳跃是月面探测机器人的一种可行的运动方式。由于缺乏与月壤特性的耦合研究，跳跃机器人在月面探测中尚未有成熟的应用。针对月面探测器5 kPa的承载指标，开展机器人与月面的耦合研究，提出跳跃机器人新型储能腿构型，实现起跳时初速度大小与方向可变的低承载跳跃；优化储能元件参数，实现机器人的近恒力起跳，并在动力学仿真环境中完成验证。针对机器人在月球表面的精确跳跃目标，建立考虑阻尼特性的月壤力学特性模型，基于离散元仿真环境测定了力学特性参数，建立月壤表面机器人跳跃动力学模型，并通过离散元-动力学耦合仿真验证了模型的精确性。基于动力学模型，实现了两种运动规划算法，验证了模型的应用可能性。

关键词：月面探测跳跃机器人月壤力学特性动力学模型离散元仿真

可控转速机匣起始位置对跨声速压气机转子流动稳定性的影响

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工程热物理学报 2024年第5期45卷 1341-1349页

作者：赵佳诣吴宛洋钟兢军上海海事大学商船学院上海201306 上海电机学院机械学院上海201306

机匣处理的几何结构参数将对其扩稳机制和扩稳能力产生影响。本文针对可控转速机匣中可转动环段的起始位置对跨声速压气机转子流动稳定性的影响开展数值研究。结果表明,当可转动环段的起始位置从叶顶尾缘开始逐渐向上游移动的过程中,可... 详细信息

机匣处理的几何结构参数将对其扩稳机制和扩稳能力产生影响。本文针对可控转速机匣中可转动环段的起始位置对跨声速压气机转子流动稳定性的影响开展数值研究。结果表明,当可转动环段的起始位置从叶顶尾缘开始逐渐向上游移动的过程中,可转动环段作用范围的扩展使叶顶流场处于逆压流动的范围扩大,通流条件恶化,但由于同时也降低了叶尖负荷,稳定工作的流量范围得以扩大。而当起始位置继续向上游移动至20%轴向弦长和叶顶前缘处时,可转动环段能够分别完成对泄漏涡破碎后流体和来流主流的轴向加速,降低激波/泄漏涡干涉强度的同时削弱了堵塞效应,转子流动稳定性得到有效改善,特别是当起始位置位于叶顶前缘时,稳定工作裕度提高了52.56%。

关键词：可控转速机匣起始位置跨声速压气机转子叶顶泄漏流流动稳定性

加热温度和热处理对TC4钛合金热自压连接接头组织和性能的影响

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稀有金属材料与工程 2024年第5期53卷 1287-1295页

作者：李会朝梁凯铭潘睿朱晓腾姜炳鑫陶虎威李志航胡正根张华北京石油化工学院机械工程学院北京102617 北京宇航系统工程研究所北京100076

采用自行设计的感应线圈、刚性拘束工装与实验室现有感应加热装置结合,以5 mm厚TC4钛合金为母材进行局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接(TSCB),探究了不同加热温度和热处理对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,加热温度过低(900... 详细信息

采用自行设计的感应线圈、刚性拘束工装与实验室现有感应加热装置结合,以5 mm厚TC4钛合金为母材进行局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接(TSCB),探究了不同加热温度和热处理对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,加热温度过低(900℃)会导致原子扩散不充分,加热温度过高(990℃,超过β→α相变温度)会形成的粗大魏氏体组织,导致接头力学性能降低。随着温度的升高,热拘束应力场对接头施加的压力先升高后降低,接头的连接质量也先升高后降低。只有加热温度为950℃即稍低于β→α相变温度时,组织分布最均匀,等轴α相晶粒最明显,且原子扩散更充分,应力场对接头施加的压力最高,接头力学性能最好。经650℃/3 h退火热处理后,发生了α→β相变,晶格的畸变程度降低,晶粒细化。TSCB接头残余应力状态由拉应力转变为压应力。残余应力显著降低,应力得到释放,从而提高了TSCB接头的力学性能,解决了TSCB接头塑性较低的问题。

关键词： TC4钛合金热自压扩散连接热处理显微组织力学性能