为及时、准确地了解2023年度国外航天领域的发展动向,对国外航天运输领域、弹道导弹领域以及高超声速技术领域的最新发展情况进行了全面梳理,涉及美、俄等各国航天领域的重点型号研发、飞行试验情况以及重大热点事件等,并通过综述分析对2024年国外航天领域的发展进行了展望。

基于液氧甲烷发动机的重复使用运载器在重复使用和使用维护方面具有优良的性能,成本更低。世界各国正在加速开展相关研究及工程研制,典型代表包括火神运载火箭、朱雀二号运载火箭等。对基于液氧甲烷发动机的重复使用运载器的技术特点、面临的技术挑战进行分析,并基于此提出后续重点研究内容,包括重复使用总体设计与评估技术、上升再入返回着陆一体化制导导航与控制技术、大尺寸轻质结构与制造技术、重复使用液氧甲烷发动机技术、健康管理预测与重复使用运行维护技术、重复使用热防护技术等,为后续开展液氧甲烷重复使用运载器工程研制奠定基础。

为研究球体垂直入水空泡的演化过程,基于N-S方程、VOF多相流模型及动网格技术,对球体的垂直入水过程开展了数值仿真模拟并进行分析。球体入水初期受到较强的冲击载荷并产生喷溅,球体入水后会产生和大气相连的入水空泡,空泡形成之后,依次经历发展、闭合以及溃灭等演化阶段,空泡受到的周围流体压力是空泡发生深度闭合的主要原因,空泡在闭合后会产生上下两股高速射流。结果表明:数值计算得到的球体垂直入水空泡形态和试验结果吻合良好,验证了仿真的准确性。

为研究波浪环境对跨介质回转体出水过程受力及运动的影响,基于P-M谱模拟了半球头回转体在不规则波条件下的出水过程,获得了回转体受力特性与运动特性。结果表明:回转体所受法向力主要来源于柱段中部不对称压力分布,所受俯仰力矩主要来源于头部和柱段尾部的不对称压力分布;回转体质心水平位移和俯仰姿态的方向与回转体遭遇的波峰波谷演化阶段相关,而量值与回转体遭遇的波峰波谷高度差相关。

推阻匹配设计是吸气式飞行器设计的核心问题,为了获取进气道的阻力特性并降低内流阻力,提高吸气式飞行器的总体性能,采用数值方法对超声速双侧布局进气道的冷流阻力特性开展研究,对比分析了不同转弯长度、转弯角度、扩张比下的弯段流态和阻力特性;获得了进气道內阻的分配比例及关键几何参数对弯段流场结构和进气道内阻的影响特性。结果表明:对于双侧布局的进气道,冷流条件下弯段内容易发生流动分离,存在较大的流动损失,在不产生溢流的情况下,弯段内阻占整个进气道内阻的大部分。分析发现,减小转弯角度或增加弯段扩张比均可降低进气道弯段内阻,而转弯长度与转弯半径相互影响,在给定的设计条件下,弯段内阻随转弯长度的增加先减小后增大。

星舰是美国太空探索技术公司(SpaceX)研制的新一代可重复使用航天运输系统。该类型飞行器的着陆过程与传统航天器截然不同,具有姿态机动大、约束条件多、精度要求高的特点。首先研究了类星舰飞行器翻转着陆段的动力学模型,将发动机摆角响应引入动力学方程来抑制发动机摆角振荡问题。接着,基于凸优化方法设计了可以考虑姿态机动和典型约束条件下类星舰飞行器飞行时间自由的翻转着陆轨迹优化算法。为了提高算法的收敛性,使用虚拟控制、在目标函数中惩罚信赖域并给出了初值选取方法。最后,结合数值优化结果,分析了不同初值选取方法、发动机摆角响应、着陆发动机个数和优化目标选取对翻转着陆过程的影响。

为获得大直径螺栓典型连接结构的承载特性,在有限元分析的基础上开展地面试验研究,获得大直径螺栓的轴力与附加弯矩,揭示其破坏机理。分析及试验结果表明,附加弯矩是影响大直径螺栓承载能力的重要因素,考虑附加弯矩后,等效轴力是原始轴力的数倍。提出了考虑附加弯矩影响后的大直径螺栓强度计算公式,提高了预示精度。此外,开展了降低大直径螺栓附加弯矩的方法研究,指出了结构优化方向。

为了实现轻质化、低成本、精细化防热设计,提出基于烧蚀机理的涂层类防热结构精细化设计方法,使用烧蚀机理初步计算出涂层烧蚀碳层厚度,从而建立烧蚀精细化热仿真计算模型,并计算得到较为准确的防隔热仿真结果,该方法的应用可为舱段涂层防热方案论证提供科学有效的理论分析手段,指导防热方案设计,并达到降低设计成本、缩短研制周期的目的。

流量调节阀是液体火箭发动机推力调节的关键部件,根据某型氢氧发动机流量调节阀的结构与工作原理,建立调节阀的动力学模型,并利用AMESim软件建立了流量调节阀的动态仿真模型。基于流量调节阀仿真模型进行了如下仿真工作:计算不同工况下调节阀的流量特性、验证调节阀的稳流特性、仿真分析调节阀动态特性、分析结构参数对调节阀动态特性的影响。仿真结果揭示了流量调节阀的流量与动态特性,为调节阀的改进优化提供了方向。

为了更好更快地计算喷管性能,采用特征线法加附面层修正的方式开发了一种二维喷管化学动力流场计算程序,针对某液氧甲烷发动机计算了不同设计参数对应的喷管流场,研究了不同设计参数对喷管效率的影响,设计参数包括推力、室压、喷管面积比和喷管出口角等。计算喷管效率时考虑了几何损失、附面层损失、化学动力损失。结果表明使用程序计算能够准确快速获得工程上重视的设计指标,大大提高了仿真效率,可用于喷管型面优化。

针对高速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,设计了高速飞行器MIMO-ESO自抗扰姿态控制器。考虑各通道间的耦合影响,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器及非线性状态误差反馈律,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为“总和干扰”,利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性状态误差反馈律抑制补偿残差。仿真结果表明, MIMO-ESO自抗扰控制器能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性,克服了实际工程中难以建立精确被控模型并获取参数摄动范围的困难,具有工程应用价值。

在高速武器平台网络化的背景下,对于高速滑翔飞行器(以下简称“高速飞行器”)的研究不再局限于多约束下的制导方法,而是亟须破解多飞行器协同制导控制技术难题。通过总结部分军事大国研制高速飞行器的发展历程,分析了目前多飞行器协同作战的发展现状与趋势,进而引出研究多飞行器协同制导控制技术的必要性。随后分别对编队通信保持控制技术、带飞行时间约束的协同制导控制技术以及带飞行角度约束的协同制导控制技术的研究现状进行了梳理,为多高速飞行器协同作战探索解决思路,最后对多飞行器协同制导控制技术的未来发展方向进行了展望。

介绍了高压煤油恒速液动机(简称“液动机”)的转子倾覆现象,分析了机理,并按照发生的原因将倾覆现象分为主动倾覆和被动倾覆。重点研究了主动倾覆,基于对转子柱塞组件的受力分析,提出了倾覆条件的数学表达,引入了无量纲的倾覆安全系数,以定量表达倾覆风险。分析了被动倾覆的原因,并提出了解决被动倾覆的方法。在产品设计中应避免出现主动倾覆和被动倾覆。

由于伺服阀小信号流量特性存在一定散布,电液伺服系统的控制参数需要进行匹配调试,提出了一种基于粒子群算法的电液伺服系统控制参数离线自寻优方法,目标特性由控制系统任务书和人工调试结果确定,参数寻优范围根据伺服系统稳定性分析结果和批产工艺数据包络确定,寻优计算时间约为${100}\sim {240}\mathrm{\;s}$。与人工调试相比,可以大幅提高电液伺服系统控制参数的批产调试效率。

未来大量中低轨商业卫星的发射任务对大中型运载火箭提出了快速测发的技术需求。地面发射支持系统针对CZ-8火箭需求,在传统运载型号已有技术的基础上,重点开展了箭体整体水平组装及起竖对接技术、快速智能测发技术的研究,旨在进一步提升火箭发射任务效率、简化发射场设施、降低发射成本。以箭体水平组装设备、整体转运起竖对接设备、智能供气系统为切入点,对相关技术进行了阐述,此外,还提出了吊具、支架车两种水平组装方案。对整体转运起竖对接精度影响因素进行了分析,并介绍了起竖托架的刚度提升方法。介绍了智能供配气总体方案、智能减压阀技术、供配气设备故障诊断技术。

为了满足压力罐密闭门可靠开启、启闭角度足够大、自动开闭锁等要求,采用机构功能时序组合、空间多连杆连续耦合作动的设计思想,开发了一种可变回转点的空间多连杆快速作动翻转机构,构建了参数化机构动力学模型,以开启角度、启闭机构体积、最大驱动载荷为优化目标进行了机构铰点多目标优化,运用Max-min准则从多目标优化所得Pareto解集中选出了折中方案。通过动力学数值计算、缩比试验和产品试验验证了该设计和优化方法的可行性,为翻转启闭系统的机构设计提供了一定的参考。

使用正弦扫描振动模拟低频瞬态振动环境是航天工业的一种传统试验方法,其对产品的环境考核可能同时存在欠试验和过试验。首先对两者等效性进行分析,进而采用冲击响应谱、最大响应谱等相关理论,对等效正弦扫描振动试验条件制定中的扫描速率、阻尼系数进行了研究,并给出参数选择建议。最终提出了制定正弦扫描振动环境试验条件的步骤,为采用正弦扫描试验进行低频瞬态环境适应性考核提供借鉴。