一种“可抛机翼”变构型飞行器设计与性能分析

变构型飞行器可以通过改变自身构型在不同的飞行条件下同时具备良好的气动特性,从而适应不同的任务需求和飞行环境。针对传统变构型方式会增加飞行器质量和结构复杂度的问题,设计了一种具有“可抛机翼”的变构型飞行器,其常规构型可实现高亚声速巡航,在抛离机翼后变为弹体达到超声速,用于末段突防、打击等军事用途,针对变构型前后2种状态进行不同飞行条件下的数值计算,初步评估该飞行器的气动性能,再通过飞行仿真模拟飞行器从抛离机翼到加速冲杀的全过程。研究结果表明：这种飞行器可以通过构型的改变适应不同的飞行环境,为高速变构型飞行器的构型设计提供参考。     

高超声速飞行器BTT耦合控制策略研究

针对高超声速飞行器倾侧转弯（BTT）过程中俯仰、偏航和滚动通道间的强烈耦合,提出一种耦合控制策略。首先,针对高超声速飞行器快时变、非线性和强不确定性的控制问题,基于解析形式的非线性最优预测控制方法,采用分层设计思想设计了飞行器姿态控制系统,可较好满足高超声速飞行器的快速性要求。然后,在分析了BTT飞行控制过程主要影响因素及其影响规律的基础上,提出了一种“先降低攻角—然后快速滚转—再拉起攻角”的耦合控制策略。最后,对该控制策略对于高超声速飞行器的适用性进行了仿真分析。结果表明：本文提出的耦合控制策略,有效降低了偏航通道的控制需求,降低了BTT控制过程的失控风险,提高了控制系统的可靠性。     

高超声速飞行器倾侧转弯耦合控制策略

针对高超声速飞行器倾侧转弯过程中俯仰、偏航和滚动通道间的强烈耦合,提出一种耦合控制策略。针对高超声速飞行器快时变、非线性和强不确定性的控制问题,基于解析形式的非线性最优预测控制方法,采用分层设计思想设计了飞行器姿态控制系统,可较好满足高超声速飞行器的快速性要求;在分析了倾侧转弯飞行控制过程的主要影响因素及其影响规律的基础上,提出一种"降低攻角—快速滚转—拉起攻角"的耦合控制策略。对该控制策略对于高超声速飞行器的适用性进行了仿真分析,结果表明:所提耦合控制策略有效降低了偏航通道的控制需求,降低了倾侧转弯控制过程的失控风险,提高了控制系统的可靠性。     

混合不确定条件下的飞行器级间分离可靠性分析

为量化飞行器级间分离过程随机不确定性和认知不确定性的综合影响,结合概率和区间理论混合模型特点,提出了一种基于随机和区间理论混合模型的飞行器级间分离可靠性分析方法。面向高超声速飞行器分离任务需求,建立分离动力学仿真模型,针对级间分离结构的几何特点,设计了一种快速碰撞检测方法,进而构建了分离任务的可靠性分析混合模型。通 过将该模型转化为随机可靠性分析的无约束优化问题,考虑分离过程中复杂外力及力矩导致功能函数高度非线性的特点,利用高效全局优化和主动学习Kriging方法实现无约束优化问题高效求解。结合实例表明,该方法能够准确描述混合不确定性因素对飞行器分离过程的影响,给出了飞行器分离任务可靠性区间,可为飞行器分离方案的精细化设计提供决策支持。     

稀薄流高超声速飞行器气动加热耦合计算

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。在以钝锥外形为例对直接模拟蒙特卡洛数值模拟程序进行验证的基础上,采用该方法对X37B轨道飞行器外形长时加热与结构传热过程进行数值模拟,给出结构温度及热流密度随飞行时间的变化规律。研究结果表明,设计的耦合计算方法能够模拟稀薄流域高超声速飞行器的气动加热及结构传热耦合过程,可为该类飞行器的气动热分析及热防护设计提供技术支持。     

助推-滑翔飞行器总体多学科设计优化研究

以助推-滑翔飞行器为研究对象,开展多学科设计优化在其总体设计过程中的应用研究。首先对助推-滑翔飞行器进行多学科设计优化任务分析、多学科建模,并建立了助推-滑翔飞行器总体多学科设计优化模型;其次对助推-滑翔飞行器总体设计学科间耦合特点进行分析,在此基础上提出了基于最优灵敏度方法的两层系统集成优化策略;最后通过数值优化算例验证了方法的有效性。优化结果表明,该方法具有较好的收敛速度,且使满载起飞质量减少9%,为高性能飞行器总体设计提供新的设计思路。     

飞行器MDO中灵敏度计算的自动微分方法

自动微分方法(ADM)是灵敏度计算的一种新方法,是处理飞行器多学科设计优化中灵敏度分析问题的有力工具。将ADM与估算灵敏度最常用的有限差分方法(FDM)以及与ADM同时期发展起来的另外一种灵敏度计算方法—复变量方法(CVM),从原理上进行了比较,研究了ADM前向模式在Visual C 6.0环境中的实现方法,结合多学科环境中的飞行器设计优化计算实例分析了该模式的优缺点。ADM在科学计算、工程计算等方面有很大的发展空间。     

R-4D反作用控制火箭发动机

一、引 言 在阿波罗/土星宇宙飞行器上,比其它火箭发动机使用更广泛的一种发动机就是45.36公斤推力的马夸尔特公司的R-4D型火箭发动机（见图1）。有32台这种发动机用在阿波罗服务舱和登月舱的滚动和移动的控制上。这种多用途的R-4D发动机也用在月球轨道宇宙飞行器的速度控制上。 下面将讨论发动机的设计特征,性能特性,以及试验和设计方法的关键。概述正在进行的发动机改进计划。提供对阿波罗服务舱,登月舱以及月球轨道飞行器飞行试验结果的分析。     

椭圆轨道上空间飞行器的编队飞行轨道设计

针对椭圆轨道上空间飞行器的编队飞行,基于开普勒轨道方程推导了一组新的相对运动方程,该方程组采用轨道要素表示,可直接用于编队的轨道设计。分析了一些典型的相对运动轨迹及编队轨道的精度,在此基础上,设计了线性编队和垂直圆编队。仿真结果验证了这种方法是有效的。     

基于反步法的无人翼伞航迹跟踪控制

为实现无人翼伞飞行器的直线航迹跟踪控制,提出了一种基于模拟对象的可变增益反步跟踪控制方法。基于模拟对象方法得到翼伞飞行器的航迹跟踪误差模型,并针对该模型设计了可变增益反步跟踪控制律,在保证稳定性的同时提高了系统的跟踪精度。将控制器应用于无人翼伞飞行器平面航迹跟踪控制中,仿真实验表明,所设计的控制器可以实现航迹的精确跟踪,且具有很好的鲁棒性。     

基于反馈线性化及滑模控制的俯冲机动制导方法

以高超声速飞行器为研究对象,针对俯冲段精确制导及机动突防问题,基于反馈线性化与滑模控制研究了机动突防滑模跟踪制导方法。首先设计纵向俯冲及侧向机动弹道,其次利用反馈线性化将非线性运动方程转化为线性方程,基于该线性方程利用滑模控制对已设计的弹道进行跟踪,最终将线性跟踪制导律转换到非线性系统中获得非线性滑模跟踪制导律,该制导律完全基于飞行器当前运动状态,所需的相对运动信息大大减少。CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该方法能够实现俯冲段精确制导及机动飞行,且对初始及过程偏差具有较强的鲁棒性,能够为高超声速飞行器俯冲段制导提供有益参考。     

基于干扰观测器的高超飞行器反演多滑模控制

针对高超声速飞行器匹配/非匹配不确定性控制问题,建立了高超声速飞行器纵向运动三角标准型模型。引入非线性干扰观测器,结合反演控制解决非匹配不确定性控制问题的优势,设计了一种基于反演控制的飞行器多滑模控制器。该方法首先利用非线性干扰观测器的逼近特性对系统受到的干扰进行观测,在每一步反演设计中引入滑模控制设计反演多滑模控制器,从而实现系统对控制指令的输出跟踪。仿真结果表明该方法能够较准确地进行干扰观测,保证了系统的稳定性和鲁棒性,具有良好的控制性能。     

一类飞行器载荷设计的三分段方法研究与应用

为有效解决传统载荷设计方法中存在的诸多不足,提出一种适用于一类飞行器载荷设计的三分段法,即分段刚度、分段质量和分段气动。该方法能够很好地逼近飞行器的真实质量分布和气动载荷分布。针对简化飞行器,分别利用三分段法、理论计算法和质量分站法计算其模态参数和截面载荷。结果表明,三分段法和理论计算法在模型参数、计算原理上是一致的,基本可以认为是一种方法,因而它们的模态参数和截面载荷完全吻合;质量分站法所得左、右截面载荷不一致,且相差很大,还不符合真实载荷情况。总之,采用三分段法能够得到较为真实、合理的飞行器截面载荷分布,且工程应用简便,方法合理、可信,同时还可以在很大程度上降低飞行器载荷设计和结构设计的难度。     

自旋三旋翼飞行器的概念设计研究

根据未来无人机发展的需求,提出了自旋的飞行方式,并设计了一款结构高度简化的自旋三旋翼飞行器。自旋三旋翼飞行器在飞行过程中,由于旋翼同向旋转产生的扭矩带动机身朝反方向自旋,在机翼处产生额外的升力,同时获得更好的稳定性。介绍了自旋三旋翼飞行器的概念设计,对自旋飞行的原理进行基本阐述,论证了其可行性,并基于此提出一种五自由度自旋飞行的控制方法,展望了其可能的应用场景。     

系统辨识方法在微型飞行器建模中的应用

为对微型飞行器的飞行进行控制,需要建立其动力学模型。讨论了微型飞行器模型的系统辨识方法,设计了实验方法与采集装置,在数据处理、模型结构选择、模型评价等方面进行了探讨。简要介绍了输入输出端存在噪声时系统的线性最小二乘无偏辨识方法原理,最后给出了微型飞行器的纵向通道的仿真算例,结果表明,运用这种方法对微型飞行器进行建模是准确而有效的。     

基于乘波概念的防空导弹气动布局及外形优化

尝试将乘波体前缘设计应用到高超声速防空导弹气动布局研究中,设计出了由具有乘波体前缘的翼面和椭圆截面弹身组成的上下面对称飞行器.同时,发展了基于代理模型的参数化优化设计流程,应用于弹身外形的优化,飞行器升阻比得到进一步提高.采用数值计算和风洞试验2种手段获取了该飞行器的气动特性.结果表明,该飞行器具有高升力、高升阻比等特点.     

一种控制学科在设计回路的多学科设计优化方法

提出了一种直接针对设计参数不确定性描述的鲁棒控制器设计方法,并将该方法的研究和多学科设计优化方法的研究结合起来,实现了控制学科在设计回路的多学科设计优化。以某无尾布局微型飞行器为例开展了气动、控制学科的并行设计优化研究,说明了该方法的可行性。     

基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法

对多约束条件下远程助推滑翔飞行器再人滑翔飞行问题,提出了一种基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法.建立了远程助推滑翔飞行器的动力学模型,确定了飞行轨迹约束条件,详细阐述了基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法的制导原理,设计了远程助推滑翔飞行器的侧向和纵向制导律,并采用LQR( linear quadratic regular)方法设计了纵向制导参数,仿真验证了该方法的可行性.与以往再人滑翔制导方法不同,该制导方法主要利用飞行攻角的变化来调节飞行轨迹,飞行过程中飞行器的速度倾侧角较小.仿真结果表明,该制导方法能满足远程助推滑翔飞行器的再入滑翔制导问题,并且具有较好的鲁棒性和自适应性.     

某巡航式飞行器控制系统设计与仿真

在详细分析某巡航式飞行器运动模型的基础上 ,论述了采用经典控制理论设计该飞行器控制系统的方法 ,并在考虑限幅、延迟等非线性环节的基础上 ,进一步对控制系统参数进行了仿真分析。通过部分仿真结果曲线可以看出 ,控制系统结构和参数合理 ,可以满足该飞行器控制的总体性能要求。同时 ,可以为控制系统的半实物仿真及实际飞行提供更为可信的参考数据及曲线     

变质心再入飞行器自抗扰控制器设计(英文)

再入飞行器采用变质心控制不但可以保持较好的气动外形,还町以增大机动能力,但变质心控制较强的非线性和耦合性大大增加了控制系统设计难度,使控制器设计和实施的代价较高。针对这一问题,基于自抗扰控制技术,设计了变质心再入飞行器双通道解耦控制器。通过构造连续光滑扩张状态观测器,不加区分飞行器的各类干扰与耦合,对其统一进行估计:利用非线性状态反馈控制律,并自适应调节控制参数对其进行补偿,实现对飞行器姿态的解耦控制。仿真结果表明:该方法大大降低了对系统模型精度的要求与控制器设计实施代价,对变质心再入飞行器非线性、耦合性以及参数摄动具有较强的鲁棒性。