吸气式高超声速飞行器爬升段关键任务点的鲁棒优化

针对吸气式高超声速飞行器爬升段飞行任务,考虑飞行器气动/推进特性及参数不确定性问题,采用鲁棒优化思路,结合巡航性能指标,优选了飞行器爬升段的关键任务点。首先,由能量状态法结合发动机工作约束,确定了飞行器的爬升起始任务点;其次,依据飞行器巡航性能分析方法,提出了兼顾气动/推进效率的性能指标,优化得到了高超声速飞行器爬升末端任务点;最后考虑飞行器质心位置的不确定性,采用鲁棒优化方法确定了爬升段末端的飞行任务窗口。仿真结果表明,设计的优选流程快速可行,飞行任务窗口能同时满足飞行器的巡航飞行性能要求及不确定性最坏情况的约束,具有较强的鲁棒性。

空天飞行器再入姿态控制研究

为满足空天飞行器在再入过程中各种约束条件,对其再入段的姿态控制进行研究。以HORUS-2B飞行器为研究对象,根据飞行器的舵面偏转特点,建立纵向非线性模型,通过对再入过程的约束条件分析,选定合适的初始攻角,对切换控制律进行设计,通过经典控制与模糊控制相结合的方式来整定控制参数,并进行仿真验证。仿真结果表明:控制系统能够很好地对攻角和过载进行控制,并具有很好的鲁棒性,能抑制不确定性的影响。

面向一体化设计的高超声速飞行器变参建模方法

为本体-控制一体化设计提供有效模型,有助于解决高超声速飞行器控制与外形优化问题。针对直接基于非线性模型进行一体化设计难度大和采用简单的线性模型无法反映飞行器在大包线飞行的动态特性的问题,本文提出面向一体化设计的高超声速飞行器变参代理建模方法,为高超声速飞行器本体-控制一体化优化设计提供精确的本征模型。该方法是包含建模与模型校验的一套完整流程,通过参数分类决策减小建模过程计算量,最终建立包含飞行条件、本体特征等多参数的线性变参代理模型。将提出的建模方法应用于参考飞行器,仿真验证了所建模型能良好表征原对象的非线性特性。

高超声速飞行器底层性能评价指标的可行性分析

针对控制性能指标是否适用于高超声速飞行任务评价,研究了底层指标的可行性分析方法。首先分析了高超声速飞行器的模型特性,指出底层指标具备高超声速飞行器评价可行性的两点要求。根据上述要求将可行性分析转化为对于任务变量到底层评价指标的映射分析,并提出了一种基于统计实验分析的检验方法。结合高超声速飞行器模型特点,进一步设计了可行性分析流程。然后,分别以静态任务要求和速度、高度跟踪任务要求为例,对应提出频域性能指标和时域性能指标的可行性分析方法。最后针对频域性能指标评价静态任务的可行性设计仿真实验加以验证。仿真结果表明可行性分析的结论与军标观点一致,而且所提出的分析流程具有较好的可实现性。

基于代理模型的高超声速飞行器外形参数优化

针对高超声速飞行器分析复杂且难度较大,提出了一种代理模型的构建方法,使用代理模型近似替代性能分析与优化过程中含有复杂学科耦合的机理模型。根据巡航任务需求,确定了优化目标为静动态性能最优与模型差异最小。使用灵敏度分析的方法,建立了代理模型。将代理模型进行静动态性能分析,并与机理模型配平结果进行了对比验证,发现两个模型的配平特性趋势是完全一致的,迎角的数值差不足3%,升降舵偏转角的数值差仅在前体下倾角较大时偏大,约为20%。基于构建的代理模型与优化的性能指标,对模型的外形参数进行了配平性能优化与间隙度量优化,并与机理模型的优化结果与优化效率进行对比,发现两者结果相差不足2%,但使用代理模型的优化效率提高了456%,证明了基于代理模型的优化可以在确保精度的基础上提高优化效率。