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一种轻量化的运载火箭载荷计算方法

哈尔滨工业大学学报 2024年

作者：王檑刘晖曾耀祥张普卓马英北京宇航系统工程研究所

随着运载火箭智能化水平的逐步提高，为实现运载火箭飞行状态的载荷监测以及故障诊断和处置，需要对箭体危险截面载荷进行快速实时计算，即载荷的轻量化计算。首先，采用理论公式与代理模型相结合的方式，提出一种轻量化计算方法，在保... 详细信息

随着运载火箭智能化水平的逐步提高，为实现运载火箭飞行状态的载荷监测以及故障诊断和处置，需要对箭体危险截面载荷进行快速实时计算，即载荷的轻量化计算。首先，采用理论公式与代理模型相结合的方式，提出一种轻量化计算方法，在保证计算精度的同时提高计算效率。其次，按照计算量大小对计算流程进行了重新规划，并对箭体截面进行分类。然后，对于气动、操纵载荷，基于达朗贝尔原理，推导了载荷计算公式，通过预先计算构型相关常值参数降低计算量，并能够保证计算的准确性。最后，对于占比较小的晃动载荷，利用打靶仿真数据构建了多项式代理模型，通过代理模型对晃动载荷进行预测，以进一步降低计算量。研究结果表明，提出的轻量化方法可以大幅提升计算效率，结合不同飞行时间段载荷变化规律，合理选取计算截面数量，可以将计算时间控制在毫秒级，与有限元方法相比，不同类型箭体截面计算偏差均小于5%，对于总体多专业联合仿真以及飞行载荷的实时计算具有重要的应用价值。

关键词：运载火箭载荷计算实时轻量化代理模型

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带气囊结构航行体入水回收动力学特性研究

力学学报 2024年第4期56卷 943-959页

作者：职明洋燕国军孙龙泉王鹏霄哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 北京宇航系统工程研究所北京100076

针对大尺度模型入水航行体的回收问题,为避免结构入水下落产生的过大入水深度对发射平台的安全造成威胁,并提升模型航行体的回收效率.文章设计了一种带气囊的航行体结构,认为气囊自空中释放并与航行体同步入水,经上浮后确保结构回收,并... 详细信息

针对大尺度模型入水航行体的回收问题,为避免结构入水下落产生的过大入水深度对发射平台的安全造成威胁,并提升模型航行体的回收效率.文章设计了一种带气囊的航行体结构,认为气囊自空中释放并与航行体同步入水,经上浮后确保结构回收,并给出了模型具体的设计参数.同时基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法建立了带气囊结构入水回收的数值计算模型,结合相关球体入水以及AUV头段入水试验结果,验证了数值方法的有效性并选取了本模型的无关性网格尺度.在此基础上,开展了不同气囊体积下航行体垂直入水回收的计算,选取了该结构对应的最佳气囊体积.随后,针对不同入水参数(入水速度、攻角以及气囊固定位置)进行了带气囊结构航行体入水回收过程的对比分析.研究结果表明,气囊体积对回收效率的提升具有正相关作用,且在体积的选取中应兼顾回收效率与气囊内压响应;入水速度的增加诱导系统运动规模同步增加,不利于回收的进行;入水攻角以及气囊固定位置的不同造成不同阶段航行体偏转运动的差异,气囊固定在航行体中部且较大的入水攻角有利于航行体模型的入水回收.

关键词：航行体回收结构入水气囊姿态偏转耦合欧拉-拉格朗日方法

一种6-DOF小行星着陆轨迹序列凸优化方法

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宇航学报 2024年第3期45卷 341-351页

作者：初彦峰穆荣军梁浩崔乃刚哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 北京宇航系统工程研究所北京100076

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度... 详细信息

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度更高。为了在凸约束下解决小行星着陆过程燃料消耗最优问题,通过对探测器动力学模型及其约束进行线性化和离散化,将原来的非凸连续时间优化问题转化为凸化的子问题,即二阶锥规划问题(SOCP);然后引入了虚拟控制项和信赖域,以增强算法的鲁棒性。通过在形状不规则小行星上的着陆模拟,验证了所提出算法的有效性,仿真结果满足各项约束条件,可实现高精度着陆和燃料消耗最优的目标。

关键词：小行星着陆多面体引力场模型 6自由度序列凸优化

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

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北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 350-358页

作者：庞闯刘德俊田干郭伟刘德博火箭军工程大学导弹工程学院西安710025 北京航天试验技术研究所北京100048 北京宇航系统工程研究所北京100076

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断... 详细信息

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明:裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。

关键词：疲劳断裂铝锂合金裂纹融合有限元应力强度因子

基于小波去噪和卷积神经网络的发动机爆震识别

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航空动力学报 2024年第7期39卷 151-160页

作者：胡春明刘铮刘娜宋玺娟杜春媛天津大学内燃机研究所天津300072 天津大学机械工程学院天津300072

在活塞式航空煤油发动机上进行爆震试验研究,首先使用小波去噪对发动机缸压信号进行噪声提取,然后对0°~45°曲轴转角内的噪声信号进行快速傅里叶变换将一维时域噪声信号展开成二维时频域特征图,最后将特征图输入到训练好的卷积神经网络... 详细信息

在活塞式航空煤油发动机上进行爆震试验研究,首先使用小波去噪对发动机缸压信号进行噪声提取,然后对0°~45°曲轴转角内的噪声信号进行快速傅里叶变换将一维时域噪声信号展开成二维时频域特征图,最后将特征图输入到训练好的卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)中进行爆震识别.验证结果表明:轻微和严重爆震都会在10°~30°曲轴转角内产生幅值较大噪声信号,与无爆震循环的时频域特征图有明显区别;在爆震特征提取上小波去噪要优于带通滤波,在爆震特征识别上CNN方法要优于支持向量机(support vector machine,SVM)方法;小波去噪和CNN结合的爆震识别方法对发动机4种不同运行工况的爆震识别准确率都能达到91%以上;小波去噪结合CNN方法对爆震循环的查准率为83.16%,查全率高达98.79%,能够准确地识别出发动机的爆震循环.

关键词：爆震识别活塞式航空煤油发动机小波分析小波去噪深度学习卷积神经网络

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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多喷管火箭起飞噪声环境预示方法

清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1357-1366页

作者：王浩轩容易曾耀祥北京宇航系统工程研究所北京100076 中国运载火箭技术研究院北京100076

为提高多喷管火箭起飞噪声环境预示能力,该文基于Kudryavtsev方法提出了3点修正:利用分布源方法(distributed source method, DSM)修正自由喷流段声源指向性,并重新分配噪声源功率;通过噪声遮蔽模型估计发射台和勤务塔的噪声衰减;采用... 详细信息

为提高多喷管火箭起飞噪声环境预示能力,该文基于Kudryavtsev方法提出了3点修正:利用分布源方法(distributed source method, DSM)修正自由喷流段声源指向性,并重新分配噪声源功率;通过噪声遮蔽模型估计发射台和勤务塔的噪声衰减;采用芯级多喷流等效为单喷流计算和助推单喷流独立计算的方法预示多喷流噪声。利用修正方法预示了某火箭起飞不同时刻勤务塔附近噪声环境。对比修正方法和Kudryavtsev方法发现,修正方法在火箭起飞2 s内最大预示误差小于5.0 dB,预示精度相较Kudryavtsev方法提高约10.0 dB;修正方法能更准确预示声压级峰值时刻,且峰值时刻附近声压级误差小于3.0 dB;修正方法的1/3倍频程声压级谱全频段预示误差小于6.0 dB,关键频段预示误差小于3.0 dB。修正方法预示精度更高,具有重要工程应用价值。

关键词：起飞噪声环境指向性噪声遮蔽多喷管火箭导流槽

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非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

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船舶力学 2024年第3期28卷 341-353页

作者：张晶张晨星王惠梁欣欣吴钦北京宇航系统工程研究所北京100076 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计... 详细信息

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。

关键词：螺旋桨非定常空化水动力性能流固耦合复合材料

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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