滑移边界条件的收敛性分析及应用

用速度滑移与温度跳跃边界条件代替通常假定的无滑移边界条件,可有效地提高计算流体力学模型对高空滑移流区域流动的预测精度。应用Maxwell滑移边界条件时,通过直接计算速度梯度及温度梯度而得到速度滑移和温度跳跃量的处理方法在网格较密的时候会出现迭代计算发散的问题。理论分析表明,直接计算梯度的方法使边界条件的时间推进过程等价于雅克比迭代过程,因此必须满足相应的收敛性条件。为了消除收敛性条件的限制,给出了一种在任意网格密度下均收敛的边界条件处理方法并通过数值算例验证了该方法的正确性。针对高空高超声速流动,以空天飞机为例,对比了滑移/无滑移边界条件所得结果的差异,分析了滑移效应对飞行器气动特性及热环境的影响。     

Boost-glide Weapons and US-China Strategic Stability

ABSTRACT

The United States and China are testing boost-glide weapons, long-range strike systems capable of flying at Mach 5 or faster through the upper atmosphere. For the United States, these systems would provide a conventional prompt global strike capability, which, together with US ballistic missile defense programs, Chinese experts regard as a threat to China's ability to conduct nuclear retaliation. This perception is encouraging the Chinese military to modify its nuclear posture in ways that tend to create greater risks for both sides. If China's own boost-glide systems are meant to carry nuclear payloads only, their deployment would not fundamentally alter the current situation between the two states. However, if they were conventionally armed or dual-purpose, or if the United States could not determine the payloads they carried, the deployment of Chinese boost-glide systems could compound problems of strategic stability created by the introduction of ballistic missile defense, antisatellite, and antiship ballistic missile capabilities. If the technical hurdles can be overcome, it may be difficult for the two sides to refrain from these deployments in the absence of strong mutual trust or an established arms-control relationship. New confidence-building measures and expanded mutual transparency are warranted to avoid creating new dangers.     

高超声速飞行器分离干扰的伴随方法分析

以大气层内高超声速飞行器级间分离过程为研究对象,采用伴随方法得到了由冲击力和气动干扰力矩引起的攻角的解析解。利用该解析解,得到了分离干扰引起的攻角的瞬时变化曲线。结果表明,在高超声速飞行器级间分离开始0.4s内,冲击力和气动干扰力矩对攻角有一定的影响,并且随干扰的增大而增大。本研究实现了预示高超声速飞行器分离过程风险的目的,对高超声速飞行器分离干扰策略的制定提供了理论依据。     

流动相似律研究

有别于经典的量纲分析方法和对流动控制方程及其定解条件的无量纲化分析方法, 论文给出了一种分析流动相似律的新思路, 亦即将复杂的流动过程分解为若干个子过程, 然后分析每一个子过程中反映其本质性态的特征量。依据这一思路导出的高超声速热化学非平衡流动相似律与文献采用经典分析方法得到的流动相似律一致。     

高超声速飞行器前体外形设计与气动特性分析

利用数值计算开展了高超声速飞行器前体气动特性的考察,重点研究了三维效应对于前体流场及预压缩性能的影响,提出了抑制三维侧缘溢流影响、改善三维前体气动性能的前体侧缘设计思想,考察了侧缘外形的容积效率,提出了有效容积效率的概念和评估方法,对于不同侧缘形式的前体构型进行了气动特性的考察,给出了不同前体构型气动特征的变化规律。     

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。     

激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术

从激波/湍流边界层干扰机理以及流动控制的迫切需求入手,从自适应涡流发生器、自适应鼓包、自适应微射流以及自适应次流循环四个方面对激波/湍流边界层干扰中的自适应控制技术研究进展进行了总结。分析认为,结合AI技术发展自适应流动控制技术,加速控制方式智能化,可作为新一代高超声速飞行器宽速域飞行的重要技术手段。具体来说,就是通过调节外加激励对高超声速飞行器不同区域实现局部流动加/减速、气动热防护、气动控制等功能,根据流场参数建立控制反馈回路,自适应调整局部流场结构,以满足工程实际需求。     

高超声速飞行器纵向平面滑翔飞行制导控制方法

针对高超声速飞行器纵向平面内准平衡滑翔制导控制问题,提出一种基于动态面控制和滑模控制的制导与姿态控制系统设计方法。建立高超声速飞行器纵向平面质心和绕质心运动模型,以航程预测-校正控制为出发点得到期望速度倾角并结合飞行器纵向模型中速度倾角、攻角和俯仰角速率间的关系,利用动态面控制方法、终端滑模控制和二阶滑模控制方法完成高超声速飞行器纵向平面内制导与姿控系统设计。基于偏导系数矩阵形式的通用高超声速飞行器气动模型,完成期望攻角和左右升降舵偏角指令的解析计算。通过高超声速飞行器对该制导控制系统设计方法的有效性和鲁棒性进行仿真验证。根据数值仿真结果,系统阐述了高超声速飞行器进入准平衡滑翔飞行前后制导控制系统工作的特点,进而总结了从初始下降段到准平衡滑翔段交班飞行阶段制导控制系统设计需要注意的问题。     

高超声速巡航飞行器机体/推进系统一体化设计参数灵敏度分析

建立了高超声速巡航飞行器机身/推进系统一体化设计模型,对高超声速巡航飞行器机体/推进系统设计参数对性能的影响进行了分析,提出了一种新的设计参数灵敏度分析方法和设计参数取值域界定方法,确定了各设计参数的影响等级并对设计参数取值域进行了划分。     

基于微分平坦的高超声速滑翔飞行器轨迹规划

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹规划问题,提出了一种基于微分平坦理论的三自由度轨迹生成方法。在分析纵向运动简化模型的微分平坦属性基础上,将纵向参考轨迹规划问题映射到平坦输出空间,消除微分动力学约束的同时降低系统设计的维数,进而提高求解效率;采用全局插值多项式参数化平坦输出函数,将问题转换为非线性规划问题求解;设计比例-微分反馈控制律跟踪纵向参考轨迹,同时采用航向角误差走廊控制侧向运动,实现三自由度轨迹生成。仿真分析表明所提出的方法能够较快生成满足多种约束且性能优化的飞行轨迹。