高超声速再入目标动态红外辐射特性修正计算

针对高超声速目标的红外辐射特性计算困难的问题,提出一种修正的工程计算方法。在传统气动加热工程计算方法基础上,考虑高超声速大气环境的动态影响,采用大气高度作为修正因子,构建高超声速再入飞行器目标表面气动加热的温度动态变化算法,并对典型飞行条件下的高超声速目标红外光谱辐射特性进行了计算分析。     

高超声速流场中CO2的红外辐射研究

文中针对高超声速绕流场中驻点线上的CO2气体展开了辐射光谱的相关研究,分析了CO2 对 整个高超声速目标的红外辐射产生的影响。研究了以球体作为飞行本体,通过计算流体力学的方法,描述高超声速流场中驻点线的物理状态以及CO2的含量变化。以此为基础,通过逐线法计算了不同 飞行条件下绕流场中驻点线上CO2的辐射光谱。估算了发生烧蚀现象时,CO2的辐射光谱。通过理论 计算,发现在典型的高超声速飞行状态下,无烧蚀的纯空气高超声速流场中驻点线上CO2 的红外辐 射远小于飞行器本体的红外辐射。而在有烧蚀的情况下,激波层中的CO2的红外辐射将不可忽略。     

高超声速滑翔式飞行器突防轨迹优化研究

为研究多种约束条件下的高超声速滑翔式飞行器快速突防轨迹优化问题, 提出了基于hp自适应伪谱法的多段优化求解策略。建立了高超声速滑翔式飞行器的运动学模型, 用三次样条插值拟合升力系数和阻力系数。综合考虑动压、过载和热流约束, 建立了考虑禁飞区和航路点的约束模型。详细阐述了hp自适应伪谱法的求解原理, 提出了以航路点为分段点的求解策略, 最后以最小到达时间为代价函数对高超声速滑翔式飞行器再入突防过程进行了数字仿真。仿真结果表明, 基于分段求解策略的最优轨迹能够有效满足各种约束条件的限制, 达到了快速突防的目的。     

高超声速飞行器控制研究综述

和以往的航空航天器相比较,高超声速飞行器存在诸多控制难点,譬如:建模困难、耦合严重、参数发生剧烈时变等。高超声速飞行器的控制,具体是探究吸气式高超声速飞行器巡航控制状况与无动力高超声速飞行器返还再入控制状况。文章是针对高超声速飞行器控制展开的具体探究,为相关人员提供参考意见。     

基于Gauss伪谱方法的高超声速滑翔飞行器滑翔段轨迹优化

基于一种求解最优控制问题的方法-Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method-GPM),研究了高超声速滑翔飞行器滑翔段迹优化问题。本文利用微分形式高斯伪谱方法将飞行器三自由度滑翔段轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取高斯节点上的状态量和控制量作为待优化参数,并将最优性能指标选为纵程最大,然后对滑翔段轨迹进行了求解。以某高超声速滑翔式飞行器为对象进行轨迹优化计算,仿真结果验证了本文的轨迹优化方法具有一定的精度和计算效率。此外,仿真过程还说明高斯伪谱法对状态猜测值并不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。     

临近空间高超声速导弹红外特性研究

研究临近空间高超声速导弹的红外辐射特性,对于反临近空间武器系统侦察监视临近空间目标具有重要意义。通过对临近空间高超声速导弹X-51A试验飞行过程的研究,深入分析了高超声速导弹的红外辐射特征,并建立其红外辐射模型。以导弹蒙皮、发动机及尾喷焰作为高超声速导弹的主要红外辐射源,以X-51A试验飞行器为参考,计算临近空间高超声速导弹在3~5μm和8~14μm波段在不同方向上的红外辐射强度,并针对计算结果进行了分析。     

再入体碳基防热材料烧蚀流场红外辐射模拟

烧蚀效应是高超声速飞行器目标特性分析评估中的重要问题之一。基于高温反应气体动力学方程与辐射输运方程，建立了飞行器表面防热材料热化学烧蚀流场及其红外辐射特性的计算模型和方法。以钝锥体弹头外形及其表面防热材料碳-碳为对象，研究了材料烧蚀效应对再入目标流场红外辐射特性的影响，分析了再入体烧蚀流场及尾流在不同波段红外辐射的分布特征和变化规律。研究发现：典型状态计算结果与试验测量及文献预测结果一致，表明烧蚀流场及红外辐射模型和方法的可行性；材料热化学烧蚀现象对再入流场红外辐射特性产生严重影响，使3～8μm波段尾流积分辐射强度增加一个量级以上，并随着尾流长度增加而增大；烧蚀流场红外辐射主要来自CO、NO和CO₂等化学组分，烧蚀对1～3μm波段流场红外辐射影响相对较弱；再入速度不变情况下，烧蚀流场在3～8μm波段红外辐射强度随再入高度降低而增强；再入高度不变情况下，烧蚀流场在同样波段红外辐射强度随着再入速度减小而减弱。     

临近空间高超声速飞行器红外辐射特性分析

为了对临近空间高超声速飞行器进行有效探测和预警,以X-51A为例,计算火箭助推段、超燃发动机工作段和无动力滑翔段、飞行器蒙皮、喷管和尾焰的双波段红外辐射特性。红外辐射计算的关键在于温度和有效辐射面积的确定。根据修正Lees驻点热流密度方法和辐射平衡时的辐射传热公式,计算出蒙皮的温度。用加力燃烧的涡喷发动机模型近似计算喷管的温度。把导弹尾焰温度分布场模型进行三段式简化,模拟出尾焰的红外辐射特性。仿真结果表明,在X-51A的不同飞行阶段,从不同探测角度观察到的各辐射部位对总体红外辐射贡献率差异较大;速度对蒙皮的红外辐射影响较大,而喷管和尾焰的红外辐射与火箭和超燃冲压发动机的燃烧状态有关。分析指出,当高超声速飞行器飞行姿态发生变化,或者在不同的飞行阶段,更适合采用双波段进行探测。     

硅基材料烧蚀产物对高温气体流场辐射影响

高温气体流场辐射特性在高超声速飞行器目标探测、识别和气动热环境预测等方面具有重要应用。基于带辐射模型,考虑硅基防热材料热化学烧蚀产物的可见光和红外辐射机制,建立了烧蚀产物光谱参数的计算方法,发展了高温气体烧蚀流场辐射特性计算软件。高温气体烧蚀流场的数值模拟结果,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了自由飞弹道靶实验模型及高超声速钝头体流场的辐射特性,重点研究了各种烧蚀产物的影响。研究表明:烧蚀产物对流场红外辐射特性具有重要影响。     

高超声速飞行器超螺旋滑模自适应控制

针对具有强耦合性、严重非线性等特性的高超声速飞行器控制问题,提出了一种改进的自适应二阶滑模控制方法。首先,在高超声速飞行器纵向模型中加入不确定因素,建立了具有参数不确定性、模型不确定性以及干扰的控制模型;其次,在所建立模型的基础上,利用类二次型Lyapunov函数设计了基于super-twisting算法的二阶滑模自适应控制器;最后,仿真结果表明,对具有未知上界不确定性的系统,该方法设计的控制器较普通二阶滑模控制器,有更好的跟踪效果以及鲁棒性。     

基于参数优化的再入制导律设计

本文介绍了一种基于参数优化解决再入制导的方法。由于再入飞行过程中存在各种约束,再入制导问题可以看做是一个对给定的目标函数进行优化的最优控制问题。但是直接采用经典最优控制理论的变分法运算量巨大且难以得到解析解。本文把再入制导问题的所有约束都转化成一个目标函数,然后将动力学方程中的控制量进行有限维数的参数化,使再入制导变成了一个有限维的参数优化问题。采用Powell非梯度式优化算法对此问题进行求解。仿真结果表明,在经过26次迭代,301次目标函数计算,目标函数收敛到精度范围,实现了制导的目的。     

基于增量动态逆的高超声速飞行器控制律设计

针对传统动态逆鲁棒性差的特点,设计了基于增量动态逆的高超声速飞行器的再入鲁棒控制律。首先建立了高超声速飞行器快慢两个回路的控制模型,通过非线性干扰观测器估计再入动力学外来的强干扰,进行前馈补偿;然后通过状态速率反馈,对快慢回路分别设计了增量动态逆控制律,期望动力学采用了抗干扰能力和收敛速度快的非光滑控制律,提高了系统的鲁棒性;引入了线性跟踪-微分器解决了增量动态逆控制律所需状态速率无法测量的问题。最后,通过仿真验证了所提算法的有效性。     

星光导航成像的气动光学效应影响研究

给出了针对吸气式高超声速飞行器（ABHV）的飞推一体化参考轨迹,分析了其对星光导航成像影响。基于吸气式高超声速飞行器强耦合特性,结合星光成像导航技术特点,以飞推耦合度最小为优化指标,考虑ABHV的攻角、燃油当量比、攻角变化率和隔离段激波串位置等多约束特性,采用一种多约束最优化方法,得到了适合星光导航应用的参考轨迹,并分析了该轨迹下星光成像性能退化情况,进一步挖掘了发动机稳定工作和飞行器高精度打击等具有核心竞争力的总体性能指标的潜力。以某型ABHV为例,在精确的仿真模型基础上,进行了仿真分析,仿真结果表明,该方法有效、可靠。     

基于航路点的高超声速飞行器预测校正制导律设计

针对高超声速飞行器再入制导多约束、不确定性问题,结合预测-校正制导和标准航迹制导的优点,提出基于航路点规划的预测-校正制导方式,推导出精确的制导模型和制导原理。针对制导模型参数的动态性能,改进了数值预测算法,并基于二次型最优性能指标设计了预测-校正制导律,给出了制导指令数值方法的解析解,符合高超声速制导的实时性要求。将姿态控制回路近似描述成二阶系统,基于已规划航路进行了仿真验证,仿真结果表明,该方法对初始误差不敏感,具有较高的精度和较强的鲁棒性。     

求解线性等式约束优化问题的移动渐近线法

针对线性等式约束优化问题,提出了一种新的移动渐近线算法。先将原问题转为以搜索方向为设计变量的新的优化问题,使用零空间技术处理进一步简化为无约束优化问题。然后,在迭代过程中,构造目标函数的移动渐近线函数且组成优化问题,求解优化问题获得下降搜索方向和搜索步长。我们讨论了算法的参数选取准则,并证明了该算法的全局收敛性。试验结果表明算法是有效地求解大规模的线性约束优化问题。     

高超声速变构型飞行器气动布局优化设计

本文结合FFD几何外形参数化、径向基函数网格变形技术、基于GPU的CFD数值模拟方法、代理模型优化算法等优化设计方法,构建了高效气动布局优化设计系统,利用该系统进行了高超声速变构型飞行器气动布局优化设计。选取高超声速变构型飞行器机翼上、下表面各30个控制点作为优化设计变量。优化外形在外翼回收段升力系数基本保持不变,阻力系数减小了0.001238,相对减少量为5.6%;外翼展开高速巡航段升力系数和阻力系数相对于初始外形变化较小,其升阻比增加了0.005,相对增加量为0.12%。     

基于参数分步估计的红外与可见光图像自动配准算法

 提出了一种仿射模型参数分步估计的红外与可见光图像自动配准算法.首先,使用矩阵正交分解方法,将仿射变换的6个自由度分离为易于估计的切变、尺度比例、旋转、尺度缩放以及x和y方向上的平移量等参数;然后基于方向一致性约束和线段间的对齐度分别构建用于参数分步估计的目标函数,并使用SGA(Stud Genetic Algorithm)算法搜索使目标函数取得近似全局最优解的参数值;最后,基于Powell算法对参数估计值进行局部求精.实验结果表明,当两幅需要配准的图像中含有丰富的关联线段及多样的线段方向分布时,本文算法能够利用这些线段间的方向一致性约束和位置分布信息,有效地实现红外与可见光图像的自动配准,且算法具有较好的配准精度.     

一种可行的高超声速飞行器跟踪算法

通过分析临近空间高超声速飞行器的运动特性,建立了高超声速飞行器运动模型,并运用交互式多模型(IMM)算法对其进行跟踪,通过100次蒙特卡罗实验,获得了误差较小的理想跟踪效果,说明了IMM算法用于高超声速目标跟踪中的可行性.     

一种临近空间高超声速目标航迹起始算法

提出一种三维空间中基于多普勒的改进修正霍夫变换快速航迹起始算法。利用传统航迹起始算法起始高超声速目标将导致目标容易丢失和虚假航迹增多,这不利于对高超声速目标的跟踪。文中提出的方法在三维空间中首先利用条件约束和多普勒信息辅助剔除部分虚假点,再利用修正霍夫变换法进行航迹起始。该算法不仅能有效起始航迹,而且极大地抑制虚假航迹。通过蒙特卡洛仿真实验表明,该算法能快速高效地起始航迹,是一种可行的临近空间高超声速目标的航迹起始算法。     

基于改进人工蜂群正余弦优化的红外图像分割方法

针对红外图像背景复杂且分割难度较大等问题,提出了一种改进人工蜂群正余弦优化的红外图像阈值分割方法。首先是将二维Otsu函数作为蜂群算法的适应度函数;其次采用混沌对立的学习方法和差分进化的方法改进了初始化种群和蜜蜂搜索方程;然后利用改进的蜂群算法优化阈值,缩小阈值的搜索区域;最后利用正余弦法计算出全局最优解,该最优解即为分割的最佳阈值。实验结果表明:论文方法与Otsu法、k-means法、区域生长法以及分水岭法相比,图像目标区域分割的平均交并比为84.13,平均准确率为89.18,有效提高了红外图像的分割精度。