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空天飞行器空中发射投放分离特性研究

作　者: 丁学良
导　师: 马旭飚；魏立新
学　校: 电子科技大学
专　业: 软件工程
关键词: 空中发射投放分离气动力工程建模飞行仿真数值模拟
分类号: V417.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着科学技术的发展,进入空间和探索空间的需求也变得越来越强烈。空中发射可以有效地降低航天运输费用,同时具有较高的自主性和机动性。空中发射投放分离过程其本质是一个复杂的非定常多体分离过程。本文的目的就是要建立一套高效实用的外挂物飞行器在载机干扰流场下的气动力工程建模方法,并通过六自由度飞行仿真来分析投放分离特性,同时,采用数值模拟的方法对投放分离特性进行佐证,最终确定投放分离的安全边界,降低投放分离飞行试验风险。主要内容包含如下几个方面:(1)创新性的提出了一套高效实用的外挂物飞行器在载机干扰流场下的气动力工程建模方法。本文根据风洞试验结果,采用增量法分离出外挂物飞行器在载机干扰流场下所受的气动干扰量数据,然后将其与无干扰下的大模型自由流数据叠加,最终得到外挂物飞行器在载机干扰流场下所受气动力合力,巧妙的避免了目前风洞试验无法模拟两个流场及外挂物飞行器试验模型尺度较小的缺陷,建立起外挂物飞行器在载机干扰流场下更为准确的气动力模型。(2)建立了基于MATLAB/Simulink平台的投放分离六自由度飞行仿真系统,对外挂物飞行器在载机干扰流场下的分离特性进行了分析。给定分离时的初始状态,采用增量叠加法获得该状态下的气动力参数,根据气动力参数进行六自由度飞行仿真,给出外挂物飞行器的质心轨迹和姿态,然后估算下一个分离状态的位置,再在新的位置上重新获取气动力参数进行仿真计算,如此循环给出外挂物飞行器的分离过程轨迹。(3)针对某型外挂物飞行器进行了投放分离的数值模拟研究。采用非结构重叠网格,Euler方程准定常的方法开展了某型外挂物飞行器非定常气动力数值模拟。(4)飞行仿真结果、数值模拟结果与飞行试验结果进行了比较。结果表明两种方法得到的投放分离特性较好的贴合了飞行试验数据,验证了干扰流场下的气动力工程建模方法与飞行仿真和数值模拟结果的准确性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  10-18
    1.1.1 空中发射研究发展概况  10-16
    1.1.2 分离特性研究发展概况  16-18
  1.2 本文主要研究内容  18-21
    1.2.1 投放分离气动力建模研究  19
    1.2.2 空中发射投放分离飞行仿真  19
    1.2.3 空中发射投放分离数值模拟  19
    1.2.4 本文的内容安排  19-21
第二章空中发射投放分离数学模型  21-31
  2.1 坐标系及转换关系  21-25
    2.1.1 常用坐标系  21-22
    2.1.2 相互转换关系  22-25
  2.2 6DOF 方程  25-27
    2.2.1 质心运动方程  25-26
    2.2.2 绕质心运动方程  26
    2.2.3 数值方法  26-27
  2.3 空气动力模型  27-28
    2.3.1 作用在飞行器上的气动力模型  27-28
    2.3.2 作用在飞行器上的气动力矩模型  28
  2.4 其他数学模型  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第三章投放分离气动力建模研究  31-42
  3.1 干扰流场下的气动力  31-37
    3.1.1 三个假定  32-33
    3.1.2 风洞试验与真实大气飞行  33-37
  3.2 主要气动力数据的获取  37-38
  3.3 干扰流场下气动力模型的建立  38-41
    3.3.1 自由流数据库建立  39-40
    3.3.2 网格测力数据库建立  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章投放分离飞行仿真  42-53
  4.1 仿真流程图  42-44
  4.2 投放分离仿真系统  44-50
    4.2.1 基于欧拉法的六自由度运动方程模型  45-46
    4.2.2 力学模型  46-48
    4.2.3 其他模型  48-50
  4.3 投放分离仿真结果  50-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章投放分离数值模拟  53-69
  5.1 数值模拟在投放分离研究的进展  53
  5.2 数值方法  53-59
    5.2.1 控制方程及其离散  54-55
    5.2.2 边界条件  55-56
    5.2.3 网格“挖洞”技术  56-59
  5.3 数值模拟  59-65
    5.3.1 数值计算网格  59-62
    5.3.2 数值模拟结果  62-65
  5.4 与试飞数据对比研究  65-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章结论与展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-73

空天飞行器空中发射投放分离特性研究

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