固定配平飞行器多约束再入制导方法研究

采用固定配平攻角外形并进行滚转单通道控制是实现飞行器再入机动飞行最简单有效的方式之一,但是由于这种飞行器升力大小不可控,机动控制能力有限,确定合适的制导方法是实现其多约束条件下落点精确控制的关键。而现有解决方法难以同时满足多约束条件和较高落点精度要求。提出将轨迹优化和滚转制导律相结合的制导方法,利用高斯伪谱法实现标准轨迹的快速优化,满足多约束条件;利用滚转制导律实现这类飞行器对标准轨迹的跟踪,满足较高的落点精度。仿真结果显示所提出的制导方法能够有效解决固定配平飞行器的多约束精确制导问题。     

可变弯尾飞行器气动设计研究

可变弯尾飞行器的气动方案是高超声速机动的潜在可行方案。利用内伏牛顿流理论计算分析了此类飞行器的高超声速气动特性,提出了气动设计的关键问题。采用加权多目标法和多目标遗传算法对此类飞行器进行了气动布局的优化设计,分别研究了配平务件下的升阻比和铰链力矩问题,以及铰链力矩、操纵效率与飞行器质心位置和弯尾部分长度的相互关系。研究表明,应通过合理的布局优化设计,使弯尾角等于或接近于其自由漂浮角,设计诀窍是使弯尾部分的质心及压心设计在弯尾的铰链轴上,即三心合一。合理的布局设计可以使可变弯尾飞行器具备弯尾控制效率高、升阻比大且铰链力矩小的特性。     

扑翼柔性变形对悬停气动特性影响的数值研究

为研究扑动飞行器悬停时扑翼的变形给气动力及周围流场带来的影响,通过求解二维Navier-Stokes方程,分析了扑翼气动力及其周围流场结构随扑翼柔性变形的变化规律.结果显示,当扑翼在悬停扑动时,适当的柔性变形可以提高升力,增大升阻比,有效地改善气动特性.但是,过度的柔性变形会使扑翼的气动特性恶化,升力和升阻比随着过度的变形而减小.     

一种联翼式水下滑翔机外形优化设计方法

为增大传统水下滑翔机的升阻比,提高水下滑翔机的运动性能,将航空领域先进的联翼布局与传统水下滑翔机相结合,提出了一种新型的联翼式水下滑翔机,并通过外形优化设计使得联翼式水下滑翔机具有更优的升阻特性.首先,对水下滑翔机主体进行数值仿真模拟,将得到的结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.其次,运用CFD仿真软件比较分析了正交错、负交错和联尾翼3种联翼布局外形的升阻特性,选择升阻比最大的正交错布局作为水下滑翔机的初始外形.然后采用描形参数化方法,建立了联翼式水下滑翔机外形的参数化模型.最后,以最大化升阻比为优化目标,构建Kriging代理模型并采用EGO算法对联翼式水下滑翔机外形进行了优化设计.研究结果表明:优化后的联翼式水下滑翔机外形相比于初始外形,升阻比提高了18.42%;相较于传统水下滑翔机,升阻比提高了23.45%,从而验证了联翼式水下滑翔机具有更优异的升阻特性.本文的研究成果为提高水下滑翔机的滑翔性能提供了一种新思路和途径.     

基于Q学习的变体无人机控制系统设计

针对变体无人机的控制问题,给出了Q学习控制方法。首先根据设计任务要求设计控制律控制变体无人机按给定航路完成飞行。同时根据飞行环境和飞行任务的变化,利用Q学习方法控制变体飞行器相应地改变外形(平直翼、小前掠翼、大前掠翼),使变体飞行器能始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境里执行多种任务(如巡航、机动、盘旋、攻击等)的要求。仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。     

翼身融合水下滑翔机后缘舵流体特性研究

为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。     

运输类飞机/发动机干扰流场纵、横向一体化数值分析

发展了一种计及粘性效应的运输类飞机／发动机气动干扰纵，横向影响的一体化数值分析方法，采用多块网络技术及求解椭圆型偏微分方程方法生成贴体，与边界正交的多块对接网格，对全机／发动机复杂外形的纵，横向绕流流场进行分布区求解，利用Euler方程和可压缩湍流边界层积分方程，研究翼面有粘与无粘强干扰流动，计算结果表明，无论对带翼吊还是尾吊发动机的全机构型，均获得了与实验值吻合良好的结果。     

某型无人机气动外形设计

以低速常规布局无人飞行器为研究对象,基于VBS脚本语言和VLM代码的方法对无人机进行配平及静稳定性分析,通过计算快速确定平飞状态各升力部件初始安装角,根据最终外形利用CFD技术对全机粘性流场进行仿真,修正势流理论估算结果,结果表明该方法可以较准确且快速的应用于飞行器设计初期气动参数获取.     

基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

为了提高翼身融合水下滑翔机(blended-wing-body underwater glider,BWBUG)外形的设计质量与优化效率,提出一种基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化(surrogate-based blended-wing-body underwater glider shape optimization,SBUGSO)框架。以最大升阻比(lift to drag ratio,LDR)为优化目标,排水体积不减小为约束条件,对翼身融合水下滑翔机外形进行优化。优化后的翼身融合水下滑翔机升阻比提高了24.32%,研究表明提出的基于代理模型的翼身融合水下滑翔机外形优化框架能够有效降低计算资源,同时提高水下滑翔机流体动力性能和排水体积,相比其他优化算法,具有明显优势。     

再入飞行器横侧向耦合多变量姿态控制技术研究

结合多变量控制理论和定量反馈理论(QFT),设计了飞行器的横侧向耦合多变量姿态控制系统。通过飞行器的飞行仿真表明,多变量控制系统可以在存在较大不确定性的情况下,确保对横侧向指令进行精确跟踪,具有较强的鲁棒性。针对高速再入飞行器的弱气动条件下偏航控制不理想的问题,充分利用飞行器的多变量特性,利用副翼对偏航的耦合影响,用以协调控制偏航通道的姿态角。仿真结果表明,该方法达到了优化偏航通道控制的目的。     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

为提高高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题求解速度和精度,提出了一种将改进的麻雀智能优化同参数化设计相结合的再入轨迹方法。首先,通过Tent混沌映射和精英反向种群方法初始化种群,利用黄金正弦策略进行种群的位置更新,并通过余弦策略减少侦察者数量,采用贪婪策略对种群的最优解进行选择和更新,在增强算法全局搜索能力的同时,不影响收敛速度。然后,将高超声速再入轨迹优化问题转化为攻角剖面和倾侧角剖面的参数化设计问题,将路径约束转化为阻力加速度再入飞行走廊,保证再入过程中始终满足路径约束,利用罚函数法处理终端约束,从而使得飞行器精确命中目标。最后,采用改进的麻雀智能优化算法对设计参数进行寻优,使得目标函数最优。仿真实验表明：本研究所提出的改进麻雀算法相较于原始麻雀算法、鲸鱼算法和粒子群算法收敛速度快,得到的高超声速滑翔飞行器再入轨迹精度有了进一步的提高;蒙特卡洛仿真实验说明,本研究所提出的高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化算法具有一定的鲁棒性。     

Trajectory Tracking Strategy for Gliding Hypersonic Vehicle with Aileron Stuck at an Unknown Angle

A nonlinear robust trajectory tracking strategy for a gliding hypersonic vehicle with an aileron stuck at an unknown position is presented in this paper. First, the components of translational motion dynamics perpendicular to the velocity are derived, and then a guidance law based on a time-varying sliding mode method is used to realize trajectory tracking. Furthermore, the rotational equations of motion are separated into an actuated subsystem and an unactuated subsystem. And an adaptive time-varying sliding mode attitude controller is proposed based on the actuated subsystem to track the command attitude and the tracking performance and robustness are therefore enhanced. The proposed guidance law and attitude controller make the hypersonic vehicle fly along the reference trajectory even when the aileron is stuck at an unknown angle. Finally, a hypersonic benchmark platform is used to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy.     

飞机模型俯仰-滚摆耦合复杂流场测试系统设计

为真实地模拟飞机机动飞行和分析俯仰－滚摆耦合状况下的动态气动特性和复杂流动机理，首次在风洞中实现了模拟飞机的俯仰与滚转的复合运动。使用E型架结构实现飞机模型俯仰角α的正弦运动，同时在E型架上安装交流伺服电机直接控制飞机模型的滚转角Φ；本系统采用了旋转编码器的输出脉冲来测量模型的转角，并记录下该脉冲出现的时刻，用这些数据得到飞机模型在风洞实验中滚转角的时间历程和滚转力矩特性，并用激光片光系统进行流态显示，使用这套系统得到了俯仰－滚摆耦合运动下的气动特性。分析表明，俯仰－滚摆耦合状况下进一步推迟了滚摆开始攻角，不稳定性增加，同时证明该系统满足风洞实验要求。     

Maneuver strategy of lifting reentry vehicle

An optimal maneuver strategy is proposed for lifting reentry vehicle to reach the maximum lateral range after reentering the atmosphere. Aiming at problems that too many co-state variables and difficulty in estimating the initial values of co-state variables,the equilibrium glide condition (EGC) is utilized to reduce the reentry motion equations and then the optimal maneuver strategy satisfied above performance index is derived. This maneuvering strategy is applied to the lifting reentry weapon platform CAV which was designed by America recently to realize both longitudinal and lateral trajectory design by controlling the attack angle and the bank angle respectively. The simulation result indicates that the maneuver strategy proposed enables CAV to reach favorable longitudinal range and lateral range.     

振荡三角翼非定常气动特性的数值模拟

以欧拉方程为基础，采用有限体积方法，建立了用于进行非定常流动模拟研究的计算方法。文中引用了变系数的残值光顺方法，在保证原求解方程二阶精度的前提下，使得计算效率提高了近１０倍。利用所建立的方法对绕尖锐前缘三角翼作大振幅振荡的非定常旋涡流动进行了模拟计算，收到了良好的计算效果。     

Wind tunnel test on aerodynamic effect of wind barriers on train-bridge system

To investigate the aerodynamic effect of wind barriers on a high-speed train-bridge system,a sectional model test was conducted in a closed-circuit-type wind tunnel.Several different cases,including with and without barriers,with different barrier heights and porosity rates,and with different train arrangements on the bridge were taken into consideration;in addition,the aerodynamic coefficients of the train-bridge system were measured.It is found that the side force and rolling moment coefficients of the vehicle are efficiently reduced by a single-side wind barrier,but for the bridge deck these values are increased.The height and porosity rate of the barrier are two important factors that influence the windbreak effect.Train arrangement on the bridge will considerably influence the aerodynamic properties of the train-bridge system.The side force and rolling moment coefficients of the vehicle at the windward side are larger than at the leeward side.     

升力式再入飞行器全程三维自主制导方法

为增强升力式再入飞行器任务的灵活性,减少射前准备,实现快速发射和精确打击,研究一种升力式再入飞行器全程三维自主制导方法.首先,再入段制导提出通过再入走廊上下边界内插得到阻力加速度剖面,倾侧角采用两次反转的设计方法,通过调节阻力加速度剖面的内插值系数和倾侧角的反转点来满足约束和精度的要求;然后,下压段仅依靠飞行器当前信息和目标点位置采用比例导引的形式来设计导引律,并通过对导引系数的实时更新实现以一定的弹道倾角对目标的精度打击;最后通过对再入段和下压段衔接点处控制指令的平滑过渡,得到全程三维自主制导方法.蒙特卡洛打靶仿真结果表明,该制导方法能够导引飞行器在满足再入约束的情况下以规定的弹道倾角对目标实施精确打击,其中打击偏差小于10 m,弹道倾角偏差小于1.3°.     

Maneuver control of the hypersonic gliding vehicle with a scissored pair of control moment gyros

A maneuver control approach using a scissored pair of control moment gyros is proposed to improve the penetration ability of a hypersonic gliding vehicle (HGV) with a relatively high lift-drag ratio. Then, a multivariable strong coupling nonlinear bank-to-turn dynamical model is established for the case of lateral maneuvering of an HGV equipped with a scissored pair of control moment gyros. According to the requirement of coordinated turning of the HGV in a lateral maneuver, a decoupling controller based on feedback linearization and a linear quadratic optimal algorithm is designed. Finally, the large airspace maneuvering trajectories of the HGV including S-shaped, cycloid and spiral maneuvering modes are designed by applying overload control technology. Simulations demonstrate that the designed maneuvering trajectory significantly increases the airspace range and flexibility of the vehicle. The coordinated turn control system achieves an accurate and rapid tracking of the maneuvering trajectories in large airspace.