飞机结构健康监测策略研究

飞机全寿命周期结构健康监测技术的应用对提高飞机在役安全性和可靠性,提升地面维护效率,延长飞机使用寿命具有巨大的价值和效益,因而得到国内外的持续关注和研究。该技术在飞机上的应用已成为衡量飞机先进性的重要指标之一,而飞机结构健康监测标准规范与策略的制定是技术开展的首要任务。分析了航空制造业先进国家结构健康监测技术相关的标准规范,明确了制定标准规范的具体要求;通过总结国外结构健康监测技术最新研究进展,梳理了结构健康监测技术框架体系;针对我国飞机结构地面试验和服役环境2大应用场景的技术特点,明晰了我国结构健康监测的技术需求,并在此基础上,提出了我国飞机结构健康监测的总体架构和可供剪裁的技术实施策略。

一种小型火工机构的输出计算及其验证

针对某折叠翼展开机构的小型化难题,研究了一种小型火工机构。利用内弹道理论建立了该火工机构的输出理论模型,通过理论模型计算和优化了机构参数,并用有限元法校验了计算结果。测试结果表明:该原型机具备了小型特点,其输出角度达到了128.5°。在逆风和顺风负载下,该火工机构的工作时间均小于200 ms,其最大角速度不大于3 000 (°)/s,试验数据证实该火工机构具备缓冲作用,理论计算结果和试验数据基本一致。研究成果可作为薄型折叠翼的一种设计方法,为薄型折叠翼的工程应用奠定技术基础。

基于PCA-LM的空战目标威胁评估

空战过程中态势瞬息万变,获取敌目标的威胁是我方取得攻击占位优势和采取战术规避的前提条件。提出主成分分析法和阻尼最小二乘法相结合的回归模型对目标的威胁进行评估。利用主成分分析法,分析指标之间的相关性,转化成相互独立的分量,确定主成分分量,重构目标威胁评估体系;对目标威胁与主成分分量进行回归分析,利用阻尼最小二乘法对回归模型参数进行估计,得到主成分分量与目标威胁之间的统计关系;利用目标威胁估计值与实际值之间的误差大小,验证了回归模型的有效性。消除了指标之间的相关性对评估结果的影响,提高了评估结果的客观性,解决了传统评估方法忽略指标之间耦合性的问题。

直升机消防吊桶姿态模拟试验研究

为量化研究直升机消防吊桶灭火过程中消防吊桶姿态对洒水精准度及直升机稳定性的影响,搭建直升机消防吊桶姿态试验平台开展消防吊桶缩尺寸试验。开展来流速度、质量、绳索长度、加装尾鳍4种因素影响下直升机消防吊桶摆动试验,利用以姿态传感器和拉力传感器为核心的数据采集系统采集试验过程中消防吊桶的姿态角和绳索垂直方向的受力。结果表明:来流速度为8、16、24 m/s时姿态角变化极差为7.85°、20.40°、34.84°,绳索垂直方向受力极大值与自身重力之差为0.18、1.13、2.29 N;质量为301、271、241 g时,姿态角变化极差为17.45°、20.40°、38.27°,绳索垂直方向受力极大值与自身重力之差为0.95、1.13、1.17 N;绳索长度为100、150、200 mm时,姿态角变化极差为22.41°、20.40°、19.61°,绳索垂直方向受力极大值与自身重力之差为1.93、1.79、1.56 N;正交试验分析得出不同工况的影响因素大小为来流速度>绳索长度>质量,其中来流速度对试验结果影响极显著(P<0.01);直升机消防吊桶是否加装尾鳍的姿态角变化极差为15.78°、55.76°,绳索垂直方向受力极大值与自身重力之差为0.64、1.06 N。综上,降低来流速度、增加消防吊桶质量、增加绳索长度及加装尾鳍可有效降低消防吊桶姿态变化幅度,提高垂直方向受力的均匀性,从而优化洒水精度和直升机稳定性。

基于眼动和脑电的复合材料胶接挖补工作负荷研究

民机复合材料胶接挖补工作负荷对适航维修差错控制和维修人员绩效提高等具有重要意义。利用“眼动+脑电”对复合材料胶接挖补工作负荷进行研究,建立复合材料夹层结构挖补修理实验场景,采集损伤材料去除、补片材料制作、铺层与固化环境构建三个典型挖补工艺过程的眼动行为和脑电信号并计算工作绩效和基于NASA-TLX量表的工作负荷。通过相关性分析提取与工作负荷显著相关的眼动+脑电特征模式。基于该特征模式,采用BP神经网络和支持向量机方法构建复合材料胶接挖补工作负荷预测模型。研究结果表明,随着工作负荷水平上升,工作绩效呈下降趋势,注视时间、眼跳时间、眼跳次数、平均眼跳频率更高,注视热点与注视轨迹分布更散乱,theta、alpha、beta波段脑电功率谱密度更高,大脑额叶、颞叶区域脑电信号更强烈;眼动+脑电特征模式结合支持向量机方法预测的工作负荷具有更高精度,可有效支持民机复合材料适航维修过程监测。

基于需求的城市低空无人机航路网络构建方法

针对城市低空无人机运行需求不断增加的问题,综合考虑城市区域交通需求、空域环境以及无人机性能等限制条件,以最小化网络节点、最大化覆盖需求点和需求量为目标,提出了一种城市低空无人机航路网络构建方法.建立网络节点生成模型和航路网络构建模型;通过改进的greedy算法生成网络节点;结合使用k近邻(k-Nearest Neighbor,K-NN)和Prims算法构建无人机航路网络;选取上海地区物流业务需求量数据进行仿真验证,并运用复杂网络相关指标分析所构建的航路网络性能.结果表明:本文提出的城市低空无人机航路网络构建方法可以同时实现干线和支线航路网络的构建,且干线航路网络实现了网络全连通,还可以结合无人机任务需求设置网络节点实现航路网络灵活规划.

基于信息熵的直升机通用质量特性评估指标权重确定方法

权重反映了各指标在通用质量评估中的重要程度,确定评估指标权重是开展直升机通用质量特性评估的关键环节。基于信息熵理论,提出了一种直升机通用质量特性评估指标权重的确定方法。通过采集专家意见构建指标权重评价矩阵,计算各指标专家评价熵权值和区分度,并转换为信度因子,以信度因子对指标权重进行修正,实现了“主观+客观”的指标权重确定,为直升机通用质量特性评估指标权重的确定提供了一种新方法。

基于深度学习的无人机航拍目标检测与跟踪方法综述

基于视觉的目标检测与跟踪方法是当前最火热的研究方向之一。近年来,随着无人机技术的快速发展,利用无人机航拍技术进行目标检测与跟踪也成了研究的热点。对于无人机目标检测,首先探讨了无人机航拍目标检测与跟踪任务的复杂性和难点,并着重介绍了以深度学习为基础的目标检测算法;针对无人机目标跟踪技术,深入探讨了以相关滤波为基础和以深度学习为基础的两种判别式目标跟踪算法;最后,总结并展望了在无人机领域目标检测与跟踪技术的应用前景。

冰雪天气下基于LSTM的跑道温度数据-机理联合预测

温度是跑道结冰的重要因素,针对跑道除冰运行的跑道热特性参数瞬态变化问题和温度周期序列缓慢变化特性,建立冰雪天气下基于长短时记忆(LSTM)的跑道温度数据-机理联合预测模型。通过最大信息系数法选择数据模型的输入特征变量,采用动态时间弯曲法进行跑道温度数据聚类划分,建立基于LSTM的数据预测模型;通过跑道热力学知识获取跑道温度预测机理模型,采用最小误差赋权法建立跑道温度数据-机理联合预测模型。仿真预测显示,预测时长为20 min、残差阈值为±0.5℃时,数据-机理联合预测模型优于单独的数据预测模型和机理模型,预测准确率可达99.34%;横向对比显示,在相同边界条件下,数据-机理联合预测模型优于BP神经网络、多元回归模型和支持向量机模型,平均准确率提高26.11%。研究表明,基于LSTM的跑道温度数据-机理联合预测模型契合冰雪天气下跑道除冰运行实际,可获得较好的跑道温度短时预测结果。

对抗条件下基于SAC-Lagrangian的UAV智能规划

无人机因其低成本、可消耗、分布部署、敏捷灵活的优势,在多个民用领域大放异彩。但受其智能化程度限制,如何在复杂对抗条件下自主安全完成任务仍存在巨大挑战。针对目前无人机任务规划存在的智能性和安全性问题,提出一种基于安全强化学习算法的无人机智能规划方法(SAC-Lagrangian)。考虑了雷达威胁、禁飞区安全约束和地导对抗条件,将任务规划问题建模为约束马尔可夫决策过程(CMDP),通过拉格朗日乘子法变为对偶问题,采用最大熵柔性行动者-评论家(SAC)算法近似求解最优策略,保证了智能体在遵守安全约束条件下最大化期望回报。仿真结果表明,与其他基线算法相比,所提方法能在保证任务性能的同时确保安全性,适应动态变化的场景,任务完成率达到96%,因此,具有高效、鲁棒和安全的优势。

时序数据图像化:战术意图识别及可移植框架

通过将时序编码为图像,提出了一种结合曲线滤波技术和EfficientNetV2图像识别网络的鲁棒且可移植的战术意图识别框架。曲线滤波技术可以有效地减少大量时域特征、模型参数和训练时间的冗余,基于此,提出了一种改进的格拉姆角场方法将时序编码为图像,提高了卷积神经网络的特征提取能力。EfficientNetV2网络能够有效地处理意图图像,并成为预训练模型,使得在不同系统之间进行迁移学习成为可能。实验结果表明,所提框架相对于机器学习及深度学习等方法提高了0.99%以上的准确率,具有更好的性能、可扩展性、鲁棒性和可迁移性。

基于DBSCAN算法与GMM理论的铝合金板孔边疲劳裂纹萌生监测

针对航空结构中多孔铝合金板在疲劳载荷作用下的孔边裂纹萌生监测问题,以光纤传感系统为基础结合小波分解、含噪声的密度空间聚类以及高斯混合模型,提出了一种孔边裂纹萌生监测方法。首先以光纤光栅传感系统采集循环加载条件下多孔铝合金板孔边裂纹萌生至结构断裂全程中孔边微应变并构建孔边微应变曲线。对孔边微应变曲线进行小波分解,得到微应变曲线的低频分量与高频分量,并以低频分量最小值及高频分量突变作为孔边裂纹萌生特征。在分析裂纹萌生时引入DBSCAN算法与GMM理论用于计算孔边裂纹萌生时的疲劳加载循环数并进行比较与分析得到多孔铝合金板孔边主裂纹的萌生位置以及孔边主裂纹裂纹萌生时的疲劳加载循环数。试验结果表明:此监测方法能够准确定位出孔边主裂纹的萌生位置,计算孔边主裂纹萌生时的疲劳加载循环数,且疲劳加载循环数计算误差在5%以内。在未来可应用于全机地面疲劳试验、结构健康监测等多种场景。

基于网络演算的复杂产品系统供应商风险度量

复杂产品系统研制过程中供应商之间协同设计制造复杂性高,风险通过供应商间的协作关系相互作用和传导。面向复杂产品系统,构建供应商层次网络,考虑供应商风险累积与风险应对及时性的交互影响,通过引入通信领域网络演算理论,基于积压和时延性能指标刻画风险的特征,将不确定的供应商风险量化问题转化为最坏边界求值问题,实现风险的确界度量。以航空复杂产品系统为例对模型进行验证,可以辨识供应商在协同研制过程中面临的重要风险,为复杂产品系统供应商风险管理提供参考依据。

基于仿人发育的混合空域智能无人机防碰撞策略研究

随着低空开放政策的实施,无人机将会脱离隔离空域,进入低空与各式各样飞行器混合进行飞行;而防碰撞能力作为无人机的关键技术,在混合空域中保持无人机安全飞行起到了至关重要的作用;通过对人的发育式学习防碰撞机理进行分析,建立了面向混合空域中密集障碍的实体模型和发育模型,最终构建了基于仿人发育的无人机防碰撞方法;仿真实验表明,提出的方法不仅使无人机可以通过学习与发育不断提高飞行安全性,而且还可以随着环境熟悉度的提升,加快无人机防碰撞行为,提高了无人机在混合空域密集障碍中的安全性与智能性。

基于乘员腰椎损伤指标的座椅垂直冲击波形包线研究

结合某型号飞机的机身结构适坠性(乘员生存力包线)设计需求,首先开展了满足AC 25.562-1B规章要求的“地板⁃座椅⁃乘员”系统的标准14g垂直冲击试验,并基于Ls⁃Dyna有限元软件进行仿真,与试验对标;在完成仿真模型标定后,为了模拟垂直坠撞工况下的乘员腰椎损伤情况,开展了80°工装角度的不同峰值和脉宽的三角波形设计、仿真分析和试验验证,获得了符合乘员腰椎损伤指标的座椅垂直冲击波形包线,为飞机机身结构适坠性设计提供参考。另外,基于乘员腰椎载荷损伤指标提出了座椅“传力系数K”的概念,以及坐垫在不同波形工况下对乘员腰椎载荷的滞后性影响。

多源传感器箱粒子LMB滤波算法

随着复杂跟踪场景的大量涌现,常规多源传感器多目标跟踪算法存在计算量大、跟踪精度低、无法估计目标航迹等不足,已无法满足现代战争的需求。笔者以主动传感器和被动传感器组成的多源传感器系统为背景,重点研究多源传感器多目标跟踪问题的实现算法。针对“多主动+多被动”多源传感器系统量测无法充分融合且整体算法计算复杂度较高的问题,提出一种多源传感器箱粒子标签多伯努利(MS-BPF-LMB)滤波算法。首先,对传感器依据不同主动传感器进行分组,即将所有传感器划分为若干“单主动+多被动”传感器组;然后,通过并行运算,对各传感器组运用基于角度关联的多传感器信息融合算法,得到跟踪所需的有效量测;最后,在跟踪滤波阶段,通过引入箱粒子滤波数值计算方法,将获取的量测点划分为若干箱粒子,并对箱粒子滤波下的多传感器量测更新系数进行重新定义,以较低的计算复杂度实现LMB(Labeled multi-Bernoulli,LMB)滤波。仿真结果表明,所提算法在保证跟踪精度的前提下,误差明显降低且算法复杂度下降约40%,能够有效处理异构数据多源信息融合问题。

火箭橇滑块高速重载磨损行为的研究进展

火箭橇试验是高超声速技术领域的技术基础,已成为世界范围内高端装备博弈的热点之一,开展火箭橇系统的运维与损伤控制研究尤为重要。作为火箭橇与火箭滑轨连接的纽带,滑块是火箭橇试验在高速重载工况下可靠服役的关键。火箭橇滑块在特定服役工况下的磨损,威胁着火箭橇试验系统的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约火箭橇发展和应用的主要技术瓶颈。因此,开展火箭橇滑块高速重载磨损行为研究具有重要的理论价值和工程意义。本文首先介绍了国内外火箭橇试验系统的发展沿革与现状;进而,基于试验、模拟仿真、试验与模拟仿真结合,综述了火箭橇滑块高速重载磨损行为的研究进展。最后,着眼于模拟手段、高性能新型金属材料设计与制备、表面防护涂层等展望了解决火箭橇滑块磨损的可行途径,旨在为极端工况下材料服役损伤行为与控制技术提供借鉴与参考。

高超飞行器电子发汗冷却热响应模型及数值模拟研究

高超声速飞行器前缘等尖锐部件在飞行过程中承受剧烈气动加热,表面温度可高达2000~3000 K以上,其热防护系统已成为制约飞行器突破飞行速度和航时极限的关键技术瓶颈。本文研究了一种基于电子发汗冷却的新型主动热防护技术路线,在电子热发射及冷却功率理论模型基础上构建了前缘热平衡方程,并基于Navier-Stokes方程耦合双温模型和11组分反应模型,运用计算流体动力学方法研究了前缘部件在不同条件下的热响应。结果表明,来流速度、前缘材料功函数、前缘曲率半径对电子发汗冷却效果均有显著影响。来流速度越高、前缘功函数越低、前缘曲率半径越小,电子发汗冷却所产生的温降幅度越大;在理想条件下,电子发汗冷却可产生超过40%幅度的降温效果,揭示了其应用于新一代主动热防护系统的潜力。

结构调制型长周期光纤光栅温度传感器研究

燃油系统的温度监测对于飞行器的安全、性能和可靠性至关重要。本文提出并测试了一种基于激光蚀刻法在保偏光纤上制备的长周期光纤光栅温度传感器,有望用于飞机内部液体温度监测。通过解调该种光纤光栅谐振峰的波长变化,可以实现对环境温度的精准测量。试验结果表明,该传感器具有83.1pm/℃的温度灵敏度和0.32 pm/με的低应变响应。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰,不易产生电火花等特性,在替代电学传感器使用时可以提升飞行器的安全性。

超高速内流壁面边界层惰性工质喷注减阻仿真研究

针对高马赫数超燃冲压发动机的超高速内流环境条件,开展模拟超高速来流条件下内流平壁边界层惰性工质喷注及减阻作用机制仿真分析。分析了典型超高速入流条件下内流特征与壁面摩阻特性,重点针对CO_(2)和H2O工质喷注研究不同喷注参数对壁面摩阻、边界层特性的影响,总结分析边界层喷注惰性工质的减阻作用机制与路径。结果表明,边界层喷注射惰性气体可在短距离内产生明显减阻效果,减阻比例可达40%~60%,后随着距离增加迅速消失;而随着喷注温度降低和喷注质量流量比的升高,减阻效果呈上升趋势,但存在极限;边界层喷注惰性工质减阻机制主要来源于喷注气膜自身的低粘和低温效应,降低壁面上流体黏度,从而降低壁面摩擦阻力系数。但同时喷注流质本身动量输入会改变边界层内部流动结构,从而增强主流对壁面上流体的动量输入,增加壁面上流体的速度梯度,对减阻带来负面影响;因此相同条件下边界层喷注CO_(2)相较H2O喷注效果更好,原因即是相同条件下边界层喷注H2O会使喷注气膜具备更高的动量,明显增加壁面上流体速度梯度,进而对减阻产生不利影响。