城市实景模型结构化线面特征重构方法

为了改善城市实景模型边缘模糊,提出了一种曲率引导的结构化线面特征重构方法。根据曲率特征将网格分割为平面、可展凹、可展凸以及不可展曲面4类,在平面分割结果内提取平面,在可展凹和可展凸分割结果内提取直线,对过度弯曲的不可展区域进行保留,最终形成包含几何特征的复合网格模型。结果表明,结合曲率信息预先设置几何特征的潜在范围,使得结构化线面特征更可靠,同时保证城市实景中复杂的树结构不被错误地提取为平面。

拓扑优化相变热沉在不同重力场的性能

为强化相变热沉的性能,基于带惩罚的固体各向同性材料(SIMP)法对山梨糖醇相变热沉进行传热拓扑优化设计。对拓扑优化的相变热沉(Ⅰ)和直肋式的相变热沉(Ⅱ)进行定常重力(0~20g)和周期性重力条件的数值模拟研究。利用无量纲数对比二者的热性能,研究结果表明:热沉Ⅰ的吸热和均热性能优于热沉Ⅱ;在相同重力环境下,以80℃为目标,热沉Ⅰ温控时间比热沉Ⅱ平均多26.8%;微低重力下热沉内部近乎导热,略逊于常规重力下热性能;超重力强化的自然对流可以显著提升热沉性能,10g条件相比常规重力的温控时间增加8.94%,而相同Ra^(*)下,周期性重力对热沉Ⅰ的性能有抑制作用。研究结果对飞行器载相变热沉的地面细化设计有一定指导意义。

ML组合的CYGNSS海面风速反演质量控制模型

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出一种基于机器学习(ML)组合的海面风速反演模型。在基于CNN回归模型的CYGNSS反演海面风速基础上,ML分类模型生成CNN回归结果的质量标志位,该标志位可以检测并删除CNN回归结果的异常值,进一步提高风速反演结果的数据质量,ML分类模型能够更好地考虑各种数据误差之间的相互作用,而不是单独使用每个条件的阈值,以达到更优的海面风速反演精度的效果。实验对比了Logistic回归(LR)、决策树(DT)、朴素贝叶斯模型、K最邻近(KNN)算法、神经网络(NN)模型、支持向量机(SVM)算法等6个分类模型,其中,基于KNN算法的分类模型对风速反演质量控制的效果最优。所提风速反演组合模型显著提高了反演结果的精度,在0~20 m/s区间内,异常样本过滤率为81.27%,在所有被过滤的数据中,过滤正确率为86.03%;风速反演误差的均方根误差从无ML分类模型的1.7 m/s降低到有ML分类模型的1.44 m/s,其中,训练样本为0~10 m/s的反演结果精度提升效果较为明显,证明了所提风速反演组合模型对风速质量控制的有效性。

考虑配平特性的超声速客机低声爆气动布局优化研究

降低声爆水平是下一代超声速运输机研制需要解决的关键问题之一。低声爆优化通常使飞行器布局向着机翼后掠角增大、机翼沿机身方向分布范围增大的趋势发展,给飞行器的配平和低速特性带来不利影响。以某超声速客机基本构型为研究对象,建立基于类别/形状函数的翼身组合体参数化建模方法;基于超声速线化理论分析外形几何参数对声爆水平的影响。在此基础上,分别针对机身轮廓、机翼平面形状以及扭转角分布对该构型进行低声爆优化和俯仰力矩特性优化,并采用CFD方法对优化结果进行校核。结果表明:与基准构型相比,在不显著增加俯仰力矩的基础上,优化构型的阻力降低了19 cts,近场过压显著降低,地面声爆响度降低5.1 PLdB。

舰载直升机主动甲板着舰气动载荷特性

被动与主动流动控制可减小舰艇艉流强度,但直升机着舰甲板处仍存在明显回流现象,由此导致直升机气动载荷变化显著。提出了自动升降的舰艇主动甲板,建立基于格子玻尔兹曼方法 (LBM)的舰艇主动甲板流场分析方法,并结合单向耦合模型,嵌入旋翼黏性涡粒子法,研究直升机主动甲板着舰气动载荷特性。通过与SFS2舰艇流场试验、分离涡模拟(DES)方法、大涡模拟(LES)方法比较,验证了所建方法的准确性。随后研究主动甲板对舰艇流场和直升机着舰气动载荷的影响特性。结果表明:相比于标准SFS2舰艇,主动甲板有效抑制了直升机着舰甲板处回流,以及直升机旋翼拉力损失、滚转和俯仰力矩,最大降幅分别为21.6%、55.1%、74.6%。

高速飞行器气动控制耦合优化设计方法研究

针对传统串行设计过程由于空气动力学和控制系统数学模型复杂、无法综合考虑气动和控制的多目标优化的问题,提出了一种面向高速飞行器气动控制耦合优化设计方法。基于气动单学科代理优化(SBO)算法,将飞行器主动控制技术(ACT)的思想与多学科优化方法(MDO)相结合,构建了高速飞行器气动控制耦合多目标优化流程架构。在2马赫来流条件下,对带有控制舵的双锥体外形开展了气动耦合优化设计研究,以提升飞行器的气动性能和控制能力为优化目标。结果表明:经过气动控制耦合优化后的最优模型在超声速环境下,升力系数和升阻比分别提升了0.401%、2.999%,同时超调量与控制增益分别降低了2.769%、0.655%,气动性能和控制能力得到提升,验证了耦合策略的可行性;气动控制耦合优化的最优模型不仅使飞行器在超声速工作环境下性能更卓越,还有助于降低后续控制系统的设计难度,提高飞行器设计效率。所提气动控制耦合优化设计方法为高速飞行器的先进设计提供了必要的技术支撑。

基于中国鸟情的鸟撞适航条款充分性和适宜性

以中国民航近十余年运输类飞机鸟撞信息为数据源,利用混合威布尔函数拟合鸟撞能量分布,并应用列文伯格-马夸尔特(L-M)寻优算法得到更为精确的拟合分布参数估计值。对照安全性指标,通过鸟撞能量分布函数评估出现有鸟撞适航条款对机翼而言是具有充分性和适宜性的,对尾翼而言具有充分性但过于保守。以发生灾难性事故的安全性指标为依据,中国鸟情环境下机翼结构抗鸟撞鸟体质量最低适航要求为1.218 kg;同时验证了美国联邦航空局(FAA)在美国鸟情环境下提高机翼结构抗鸟撞鸟体质量最低适航要求的愿景(约3.6 kg),证明了基于两重两参数混合威布尔分布的鸟撞冲击能量统计分析方法的有效性及结果的可信度,为中国民航自主修订相关适航条款修订提供了理论依据和实践参考。

边防哨所风光耦合制氢系统的配置优化

为解决边防哨所地处偏远、环境复杂、对能源需求大且上网成本高的问题,利用风光资源的互补性及氢能的能量密度高、绿色清洁等特点,提出了建立以风能和太阳能作为主要发电能源的风光耦合制氢系统,并选择氢能单元作为系统的储能单元,以满足边防哨所对能源多样性的需求,提高哨所从周边环境获取能量的能力。建立风光耦合制氢系统各子系统数学模型,以减小系统成本、提高可再生能源利用率、增大氢能产量为目标进行系统建设配置优化,选择系统各组件的额定功率作为设计变量,具体地区气象数据作为输入,利用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行求解,对优化得到的帕累托解集进行决策。通过层次图的绘制实现多维帕累托前沿可视化,得到了最优配置方案,并与未优化配置方案等进行对比,保障供电可靠性的同时可大幅度提高能源利用率、降低配置成本。

基于损失平滑的对抗样本攻击方法

深度神经网络(DNNs)容易受到对抗样本的攻击,现有基于动量的对抗样本生成方法虽然可以达到接近100%的白盒攻击成功率,但是在攻击其他模型时效果仍不理想,黑盒攻击成功率较低。针对此,提出一种基于损失平滑的对抗样本攻击方法来提高对抗样本的可迁移性。在每一步计算梯度的迭代过程中,不直接使用当前梯度,而是使用局部平均梯度来累积动量,以此来抑制损失函数曲面存在的局部振荡现象,从而稳定更新方向,逃离局部极值点。在ImageNet数据集上的大量实验结果表明:所提方法与现有基于动量的方法相比,在单个模型攻击实验中的平均黑盒攻击成功率分别提升了38.07%和27.77%,在集成模型攻击实验中的平均黑盒攻击成功率分别提升了32.50%和28.63%。

侧风对直升机沙盲特性的影响

直升机旋翼与地面复杂干扰流场诱导沙床沙粒运动,形成沙盲现象,然而侧风改变旋翼与地面干扰流场,改变沙云形态和沙盲现象。因此,将侧风作用项嵌入基于黏性涡粒子的旋翼/地面气动干扰模型,体现侧风对旋翼与地面干扰流场的作用,并基于离散单元法的沙粒动力学模型,增加侧风引起的气动力,体现侧风对沙粒运动的作用。研究侧风对直升机前飞沙盲特性的影响,并分析侧风速度、风向对直升机沙盲特性的影响规律。结果表明:侧风对直升机沙盲沙云形态影响显著,且左侧风显著增强沙尘浓度,而迎风状态减小沙尘浓度;随着侧风速度的增加,左侧风状态下的沙尘浓度先增加后减小。

基于扫描旋转同步运动的三维成像方法

为满足在役战机隐身性能的快速检测需求,提出了一种基于垂直扫描、方位旋转同步运动的三维成像方法。成像系统主要由射频收发设备、收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端构成。天线发射频率步进信号时,对转台上的被测目标进行水平旋转,同时,收发天线对在垂直方向上扫描被测目标。以点目标组合为例,通过理论分析和仿真计算,确定该成像系统的参数配置,比较不同参数配置下系统的三维成像性能。仿真结果表明:采用垂直扫描、方位旋转同步运动方法能够实现三维成像,该方法与经典圆柱面扫描方法相比,扫描时间可缩短92%,同时保持11 dB峰值旁瓣比率。所提方法具有测试效率高、系统搭建简单、易于调节的特点,为服役阶段的隐身飞机散射源诊断提供了一种有效的测量方法选择。

多矢量姿态测量算法研究综述

将矢量测量转化为姿态测量,该问题在姿态估计中被称为Wahba问题。介绍了最小化Wahba问题的损失函数的不同算法,包括最优四元数估计器(ESOQ)、四元数估计器(QUEST)、快速最优姿态矩阵(FOAM)、矩阵的奇异值分解(SVD)等广泛使用的算法,以及基于快速线性四元数姿态估计器(FLAE)、黎曼流形等近年来提出的算法。给出了简单的计算原理与推导过程,并通过计算机仿真对照,归纳各类算法在计算旋转矩阵时的计算精度、鲁棒性。针对姿态测量算法应对当前应用场景的性能需求,简要介绍其在惯性测量单元(IMU)动态对准、协同集群视觉定姿、图像拼接等方面的适用可能和工作原理,并在此基础上简述了姿态测量算法当前的缺陷与未来的发展趋势。

多节链式倾转旋翼飞行器重构控制与运动仿真

多节链式旋翼飞行器具有构形可变换的特点,是应对运动空间变化的一种有效构形设计方式。受限于构形变化下电机共轴带来的横向转动力矩的缺失,多节链式旋翼飞行器的动态重构飞行具有无法达成的临界构形区间。为此,设计了具备横向倾转的链式旋翼机体结构,以单机臂为模块化结构基本单元,通过旋转关节实现水平向的构形变化,机臂中段配置倾转矢量关节,用以提供滚转力矩支撑。在机体运动学、动力学模型推导的基础上,引入虚拟控制量对控制分配进行线性化处理,利用Moore-Penrose伪逆求解控制效率矩阵,面向全构形变换设计了基于全驱动控制的飞行控制律。对飞行器典型构形位姿控制的稳定性、构形变换控制的可行性进行实验论证,仿真结果表明:在飞行器各典型构形飞行状态下,姿态各轴向角度跟踪最大误差不超过0.05°,构形变换过程中,姿态各轴向角度跟踪误差不超出0.1°,2种情况下,位置偏差均能控制在1 mm以内,飞行器具备各构形下稳定飞行及构形变换的能力,为进一步开展动态重构及稳健飞行提供了必要条件。

相变储能拓扑翅片的性能研究

为强化翅片管式储能系统的传热速率和相变材料域的温度均匀性,基于带惩罚的固体各向同性材料方法,以两种分形结构和对应翅片体积分数为参数,采用月桂酸为相变材料,进行了拓扑优化设计,并对比研究了拓扑优化的强化导热效果和温度均匀性。研究表明:壁面温度20℃时,拓扑优化有更好的导热效果,比分形优化分别减少21.18%和12.68%的总凝固时间,相变材料温度最高降低了7.33℃和4.30℃,平均降低了0.98℃和3.85℃;拓扑优化也具备更好的温度均匀性,相变材料平均方差分别为对应分形的33.38%和72.13%;壁温偏离拓扑的设计参数时,其热性能也基本未发生改变。以上结果传导为翅片设计提供了一定参考。

运输类飞机适航标准25.785(b)(d)要求及符合性验证研究

CCAR25.785(b)(d)条款要求运输类飞机的设计能够保护乘员在遭受应急着陆惯性力等情况时不受到严重伤害。通过对FAA相关咨询通告和审定政策备忘录的研究,结合符合性验证工作实践,完成了对条款25.785(b)(d)要求的解析和对条款符合性验证考虑的梳理,形成了对条款25.785(b)(d)的符合性验证方法建议,可为运输类飞机针对条款25.785(b)(d)的适航性设计和符合性验证提供参考。

F-35平尾喷流效应和机动性

本研究主要探讨F-35的平尾喷流效应。根据公开数据,在不高估性能的前提下,建立F-35的动力学模型并进行仿真,将仿真结果与F-35的飞行测试记录进行比较,并且和其他高机动性机型进行比较。仿真结果表明,仿真与飞行测试记录吻合,喷流效应对F-35机动性有较为明显的提升。

宽体飞机地面主轮协同转弯控制律设计

主轮协同转弯技术能有效提高飞机的地面机动性,降低主起落架在转弯过程中受到的附加侧向扭矩,减小重载飞机地面转弯半径,但目前实现此技术的前主轮转角控制律设计方法尚不明确。提出以主起落架受力为约束条件,计算不同滑行速度下的前主轮转角关系,在全速度范围内进行分段选择并离散化,据此设计前主轮协同转弯控制律,以原理样机为对象进行仿真分析,验证了该控制律能有效降低两侧主起落架扭矩和的峰值。提出的设计方法对多轮系地面运载装备的复合转弯控制律设计具有一定的理论指导意义。

民用飞机应急场景分析与建模方法

按照基于场景的民用飞机系统工程正向研制过程,为确保在飞机研制早期需求捕获与功能分析的完整性,针对应急场景开展识别、分析与建模方法研究。分析在飞机研制早期考虑应急场景的必要性,给出应急场景的定义和范围;针对民用飞机不同运行阶段,开展基于外部风险事件的应急场景识别,给出不同阶段的外部风险事件,并按照外部风险事件在不同阶段的演化结果给出相应的应急场景清单;研究形成一种基于DoDAF的应急场景建模方法,选取典型应急场景,形成应急场景建模的典型案例。通过对民用飞机应急场景分析与建模方法研究,形成可参考的外部风险清单和应急场景清单,同时形成面向应急场景的建模技术途径,为面向安全保证、基于应急场景的需求捕获与初步机组应急操作程序定义奠定基础。

基于一致性理论的无人机编队控制与集结方法

针对无人机运动学模型特点和远距离成形问题,提出一种基于改进一致性算法的无人机集结-成形策略。建立能直观描述编队队形的坐标系,根据纵向和横航向解耦的带自动驾驶仪的无人机三自由度运动学模型的特点,考虑无人机机动性能约束,对一致性算法进行改进,实现对无人机速度、航向和飞行高度的控制,提出编队队形控制算法。针对无人机初始间距大带来的调参问题,增加集结过程,并利用粒子群算法优化集结速度,避免航迹冲突,集结结束后再采用所提算法生成无人机航迹,提升算法的适应性。仿真结果表明:所提算法能使无人机在满足机动性约束的情况下,形成稳定队形;相比于直接成形法,所提策略提高改进一致性算法的适应性和安全性。

可变弯度翼身融合布局气动特性分析与设计

变弯度机翼在提高常规布局客机气动特性方面有较大的潜力,但也会引起全机俯仰力矩变化,考虑翼身融合布局飞行器力臂短、配平阻力较大的特点,研究变弯度技术在翼身融合布局飞行器上的减阻收益与配平惩罚。从工程实际出发,采用基于舵面偏转的方式实现后缘变弯度并对比分析不同展向位置处舵面的配平能力;然后利用全局优化方法开展变弯度气动减阻优化设计;最后对变弯度设计空间进行探索。结果表明:随着升力系数的改变,产生配平阻力最小的舵面位置也会发生变化。当不考虑俯仰力矩配平约束时,采用变弯度技术至多可以获得4.62%的减阻收益;在考虑俯仰力矩配平约束后,相比于采用中央体后缘舵面配平,采用变弯度技术至少能够减小2.4×10^(-4)的配平损失。不同升力系数下,变弯度的舵面偏转组合方式存在明显差异,小升力系数下,多个舵面负偏的变弯度组合有利于减阻并增加抬头力矩;而大升力系数下则是通过多个舵面正偏的组合实现减阻,但会导致低头力矩增加。基于多舵面组合偏转的变弯度减阻收益与力矩惩罚评估,能为工程上设计可变弯度翼身融合布局飞行器提供参考。