一种基于DDPG的变体飞行器智能变形决策方法

针对一类变体飞行器自主变形决策问题,提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的智能变形决策方法。首先,针对一种后掠角可连续变化的飞行器,通过计算流体力学方法获得飞行器的气动参数并分析其气动特性;然后,联合制导过程与DDPG算法,以获得最优气动特性和制导性能为目标,提出了一种变体飞行器智能变形决策算法;最后,仿真结果表明所提算法收敛效果好,相比于固定外形,可通过合适的变形决策指令在得到最优气动外形的同时获得更好的制导性能。

变体飞行器的气动与多学科设计需求

变体飞行器可以通过局部或整体变形来改变飞行器的外部形状,实时适应多种任务需求,在多种飞行环境下保持气动性能最优,已经成为21世纪航空航天领域的前沿研究热点。本文首先梳理了变体飞行器的气动与总体设计、结构、控制、噪声、隐身之间的联系,然后针对变体飞行器气动设计面临的任务需求,阐述了增升减阻、稳定性和操纵性、降低气动噪声以及增强飞行器隐身性等气动与多学科设计对不同变形方式的需求,最后对变体飞行器关键技术和未来发展方向进行了展望,为变体飞行器气动与多学科设计的发展提供参考。

变体飞行器结构关键技术及研究进展

变体飞行器由于可以根据飞行任务、飞行环境以及飞行状态等工况的改变主动地调整自身状态,从而可以实现在不同任务下都保持最佳性能。柔韧性和承载性良好的一体化柔韧蒙皮、大功率驱动器、轻量化高可靠性变形机构等智能柔性变形机翼技术是变体飞行器的重要支撑。为研究智能柔性变形机翼技术,在给出变体飞行器机翼主要变形方式的基础上,分析了变形机翼在变形蒙皮、驱动技术、变形机构等方面关键技术的研究重点和方法,并对其发展进行展望。

高超声速变体飞行器关键技术研究综述

高超声速变体飞行器有潜力通过变形提升飞行器在宽速域、大空域飞行全包线下的适用性,在未来的民用与军事领域都具有极大的战略意义。本文主要对高超声速变体飞行器的研究进展进行综述,阐述了国内外高超声速和变体飞行器项目的研究进展和现状,并且对现有的高超声速变体飞行器的主要变形方式进行了分类与介绍。同时,总结了高超声速变体飞行器在变构型机构设计方法与理论、高功重比与快速响应的驱动设计、可承载大变形蒙皮、承载/热防护一体化结构设计等方面的技术难点,提出了高超声速变体飞行器的后续研究发展方向,以期对后续高超声速变体飞行器的相关研究提供一定的参考。

折叠变体飞行器的降阶建模与颤振分析

折叠变体飞行器可在飞行过程中调整自身气动布局以适应不同飞行条件,从而使其执行不同任务或处于不同环境时都保持在最佳性能状态,然而可变的结构与气动布局会导致折叠变体飞行器的动态特性复杂且时变。针对折叠变体飞行器的动态特性预示问题,发展一种折叠变体飞行器的一体化降阶建模与颤振分析方法,提出适用于折叠变体飞行器的整体降阶建模和颤振特性快速分析流程,以探究折叠角和扭转弹簧刚度对固有频率和颤振速度的影响规律。基于所提方法和流程的动态特性预示结果表明:各阶模态的固有频率均随扭转弹簧刚度的增大而升高,而弯曲模态和扭转模态所对应的固有频率随折叠角的变化规律不同;折叠角的变化会影响颤振速度,且当折叠角为45°时增大扭转弹簧刚度会导致出现耦合颤振的模态阶次发生转变;此外,颤振速度还会随连接位置扭转弹簧间隙值的增加而升高。

高超声速变体飞行器宽速域气动特性研究

宽速域飞行是高超声速飞行器的重要设计目标和发展方向。然而,复杂的环境变化给固定外形飞行器在不同飞行条件下的气动布局设计带来了矛盾。高超声速变体飞行器可以通过呈现不同的构型来适应各种飞行条件并满足性能要求。本文通过数值模拟的方法来研究折叠翼高超声速飞行器的气动性能。研究重点是在不同飞行高度和马赫数下,探究不同机翼折叠状态对应气动布局的升阻比、纵向静稳定性和航向静稳定性。比较了不同机翼折叠角度(0°、45°、90°)对气动性能的影响。结果表明,在所研究的整个速度范围内(Ma=0~5),较小的机翼折叠角会导致较高的升力系数、阻力系数和升阻比。机翼折叠角为0°时,升阻比最高。在纵向稳定性方面,折叠角度较小的布局具有更好的纵向稳定性。随着马赫数的增加,不同折叠角度之间的纵向稳定性差异最初减小,然后增大。静态稳定裕度从1∶0.95∶0.84变为1∶0.98∶0.88,后变为1∶0.89∶0.79。此外,具有较大机翼折叠角的构型表现出更好的航向稳定性。所有3种机翼折叠布局状态在低速飞行阶段都是航向静稳定的。随着马赫数的增加,0°和45°折叠角逐渐变得航向静不稳定。

考虑威胁区通行概率的变体飞行器轨迹规划

针对威胁区交叉重叠且全覆盖飞行路径的变体飞行器轨迹规划问题,提出了一种考虑威胁区通行概率和变外形参数优化的轨迹规划方法。基于分层强化学习思想,通过设置飞行环境集合、决策选项、代价函数、Q函数以及选项内的策略等,建立了变体飞行器路径决策的分层强化学习模型;通过训练得到的评价网络,能够结合威胁区通行概率对实际的场景进行路径决策;根据飞行器可变外形的特点,优化所得决策结果的参数,得到全过程的通行轨迹和外形形态。仿真结果表明,该方法能够根据实际情况实时决策飞行路径,经过优化后得到全过程的优化轨迹和飞行形态。

一种面向变体飞行器的控制器设计方法

针对变体飞行器姿态控制系统的控制器设计问题,提出了基于结构搜索和参数优化的控制器一体化设计方法,实现了控制器结构设计工作的自动化,在较短的时间内搜索到最适合的控制器结构并完成参数整定。对某型号变体飞行器俯仰通道姿态控制的仿真研究表明,该方法可大幅提高系统的带宽,且迭代次数和消耗时间只有传统方法的约38%。

助推滑翔变体飞行器弹道方案多目标近似优化

针对助推滑翔变体飞行器弹道方案最优变形求解难、多设计指标相互矛盾等问题,开展助推滑翔变体飞行器弹道方案多目标设计优化研究。首先构建了助推滑翔变体飞行器全程弹道方案优化框架,通过内外层分别优化控制参数及弹道方案参数,并建立了以起飞质量最小、射程最大为优化目标的弹道方案多目标优化模型。在弹道建模中,基于牛顿迭代法建立助推段弹道模型,基于伪谱法建立最优变体再入滑翔段弹道模型。此外,提出了基于差分进化的多目标近似约束优化方法(MACO-DE),实现助推滑翔变体飞行器弹道方案优化。对比初始方案,在射程不变情况下,起飞质量至多降低3.81%,在起飞质量不变情况下,射程至多提升6.62%,从而验证了全程弹道模型的合理性与MACO-DE方法的有效性。

变体飞行器LPV建模与鲁棒增益调度控制

以可变翼展的变体飞行器为对象,研究了一类变体飞行器的建模与控制问题。分析了飞行器纵向气动参数与翼展变形的关系,构建了气动参数函数。用Jacobian线性化方法,建立了飞行器的线性变参数(Linear pa-rameter varying,LPV)模型,分析了变体过程中飞行器特征的变化。为保证变体过程的稳定,采用鲁棒增益调度控制方法设计了全局控制器,其设计条件具有线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)的形式。对采用所设计控制器的变体飞行器进行了仿真验证。结果表明:翼展变形对飞行器气动参数有明确的影响,能够直接改变飞行器的系统特征;设计的鲁棒增益调度控制器能实现预期的运动过程,并保证变体过程的全局稳定。

变体飞行器变形辅助机动的建模与滑模控制

以伸缩翼变体飞行器为对象,研究了机翼伸缩辅助机动飞行的建模与控制问题。建立了飞行器气动参数与翼展变形率的函数关系,将机翼伸缩视为辅助操纵方式,构建了变形辅助机动的动力学模型。针对飞行器模型高度非线性的特点和机翼伸缩等会引起复合干扰的问题,提出了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制(non-singular dynamic terminal sliding mode control,NDTSMC)策略,在保证有限时间收敛的基础上,通过对切换信号的积分作用消除抖振,实现对不确定性的抑制。仿真结果表明,非奇异动态终端滑模控制方法能提高变体飞行器的控制精度和鲁棒性能,更好地消除抖振;变形辅助机动的变体飞行器比常规飞行器具有更强的机动性能和抗干扰能力。

基于速度线性化的变体飞行器鲁棒LPV控制

针对大包线下变体飞行器在翼型快速变化过程中的姿态控制问题,提出了一种基于速度线性化的鲁棒线性变参数(linear parameter varying,LPV)控制方法。所提方法将状态量的微分增广至状态方程,得到系统任意状态下的线性化模型,解除了传统小扰动线性化方法要求系统处于平衡点邻域的限制。建立了具有凸多胞形式的变体飞行器LPV模型,给出了参数依赖鲁棒H∞状态反馈控制器存在的充分条件,依据顶点控制器和变参数进行凸插值得到鲁棒LPV控制器。仿真结果表明,设计的控制器在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能和鲁棒性。

变体飞行器链式平滑切换控制

针对变体飞行器在连续变形过程中的高度保持和姿态稳定问题,提出了一种平滑切换状态反馈控制器设计方法.建立了纵向运动的链式平滑切换系统模型,相比于传统的任意切换律和硬切换方案,所提出的模型能够更准确的反映变形过程的运动特性,且降低了设计的保守性.推导了链式平滑切换系统有限时间有界且具有鲁棒性能指标的充分条件,将增稳控制器设计转化为具有线性矩阵不等式组约束的优化问题.所设计的控制器虽然放宽了对系统渐近稳定性的要求,但能够保证系统状态在变形时间段内有界稳定,且兼顾了实际的舵偏响应.控制算例和非线性仿真验证了所提方法的有效性.

一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化,基于Kane方法,将变体运动假设为已知的可控输入,利用约束方程来表示机翼的变形运动,选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率,建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型.定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响,仿真结果表明,在平稳飞行条件下,相对于变形引起的空气动力的变化,机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小.在不同的变形速度下,对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析,仿真结果表明,变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大变化.

微小型变体飞行器建模与控制系统设计

研究了机翼可后掠变形的微小型变体飞行器动力学建模和飞行控制系统设计方法,通过状态点选取、气动参数计算和数据拟合插值,建立了变体飞行器的动力学模型,针对模型的特点,提出了一种以参数空间方法为基础的变体飞行器飞行控制系统设计方法,通过计算机辅助算法,设计了纵向通道控制系统,仿真结果表明,所设计的公共固定增益控制器能够使得变体飞行器在不同飞行阶段始终具备要求的动态特性,具有可行性和工程实用性.

深度强化学习在变体飞行器自主外形优化中的应用

基于深度强化学习策略,研究了一类变体飞行器外形自主优化问题。以一种抽象化的变体飞行器为对象,给出其外形变化公式与最优外形函数等。结合深度学习与确定性策略梯度强化学习,设计深度确定性策略梯度(DDPG)学习步骤,使飞行器经过训练学习后具有较高的自主性和环境适应性,提高其在战场上的生存、应变和攻击能力。仿真结果表明,训练过程收敛较快,训练好的深度网络参数可以使飞行器在整个飞行任务过程中达到最优气动外形。

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.

折叠变体飞行器风洞试验模型研发

变体飞行器一直是航空领域研究的热点问题。针对某变体飞行器风洞试验任务提出的运动性能指标,设计开发了可控的折叠变体试验模型,对其设计方案及工作原理进行了阐述,对折叠变体机构进行了运动学与动力学分析,建立了位移、速度和加速度控制的数学模型,得出了机构的最大受力状态及各连接杆件的最大受力值,并进行了角度误差的分析与计算。结果表明,该试验模型能够对机翼折叠变体角度进行连续、稳定和精确控制,完全达到了设计要求的各项指标。

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明:在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。

变体飞行器智能变形与飞行控制技术研究进展

变体飞行器在航空、航天和兵器等领域具有极为重要的应用前景。智能变形与飞行控制技术是包含众多学科和应用的综合性技术。首先归纳了变体飞行器的具体分类及特性,分析了变体飞行器的变形结构和智能材料发展状况,研究了变体飞行器的动力学建模与飞行控制技术,总结了变形技术在微小型飞行器、无人机、高超声速飞行器以及导弹等领域的应用现状,最后展望了全局高度仿生化和高速跨域化、结构与控制耦合影响机制、智能材料和变体结构驱动一体化等亟待突破的关键技术。