组合动力飞行器模态转换段推阻匹配与控制律设计

针对组合动力飞行器在进行模态转换时,发动机推力的损失以及进气道进气时对飞行器周围气流的影响,导致飞行器本体动力学特性呈现出强烈的非线性、耦合性和模型不匹配性等问题。文中根据涡喷发动机和冲压发动机输出推力随流量变化的关系,提出一种流量分配方案补偿了发动机动力切换时的推力损失。考虑到组合动力飞行器模态转换段动力学的复杂性,采用L1鲁棒自适应控制实现飞行器的内环增稳,采用蒙特卡洛打靶方式验证控制律的鲁棒性。仿真实验证明,设计的控制律具有一定鲁棒性。

鸭式旋翼/机翼飞行器转换末段气动特性

采用数值模拟方法研究鸭式旋翼/机翼(CRW,Canard Rotor/Wing)飞行器在转换过程末段,旋翼转速极低时全机气动特性变化规律及其产生原因.给出了旋翼旋转一周时,全机气动力、气动力矩、焦点位置变化规律,对此布局形式,转换过程末段全机升力、阻力变化幅度可达10.7%,3.7%,焦点可移动0.6m.研究显示:旋翼处于前后不对称流场及旋翼处于不同方位角时对机体的不对称干扰是气动力与气动力矩变化原因,旋翼与平尾升力线斜率变化、旋翼自身焦点位置变化导致了全机焦点移动.

热电转换技术在高超声速飞行器中的应用设想

未来高超声速飞行器正朝着智能化、综合化、集成化的方向发展,考虑到其独特的气动外形设计和特殊的飞行环境条件,为充分利用飞行器飞行过程中产生的大量气动热,抑制气动热对飞行器热防护层的烧蚀影响,实现气动热向飞行控制所需电能的转化,同时将多余的电能存贮到蓄电池中。本文提出了面向高超声速飞行器真实环境的热电转换与充放电技术应用设想,实现热能"变废为宝"式的转化利用,降低蓄电池重量规模,提高飞行器能源精细化管理水平。

高超声速飞行器气动热耗散、输运及转换技术研究进展

针对高超声速飞行器面临的严重气动热集中、累积和时变问题,从气动热耗散、输运和转换三个方面,分别论述了被动热耗散材料、结构和主动热耗散技术,基于高导热材料、热管和工质对流的热输运技术,以及再生转换和热电转换技术的研究现状及其在高超声速飞行器上的应用案例,提出了上述技术在面临高超声速气动热时存在的问题。最后,针对高超声速飞行器气动热耗散、输运和转换技术的发展趋势进行了展望。

太阳能飞行器能源系统中GaN变换器优化研究

为实现太阳能飞行器能源系统的高效率和高功率密度,采用基于氮化镓(GaN)器件的四开关升降压(FSBB)变换器。首先提出一种变移相角控制策略,该控制策略可根据不同的输入电压范围,通过改变移相角来使电感电流纹波始终维持在此时工况下的最小值,同时保证电感以最小电流进行环流并兼顾软开关技术,进一步提高变换器的工作效率。然后对所提控制策略下的变换器进行建模,分析其稳定性,并通过对控制参数进行整定,完成变换器补偿网络的环路设计。最后搭建一台输入30~60 V,输出45 V/200 W的GaN FSBB变换器实验样机,验证变移相角控制策略的有效性。

高速飞行器流固界面热力载荷转换方法及其应用

高速飞行器流固界面热力载荷的快速高效转换是结构热气弹分析的重要前提。本文分别基于最小势能原理建立了流固界面热力载荷的转换方法,并编制了相应的转换软件,可实现不同单元类型、不同载荷类别、不同软件之间的双向热力载荷转换。测试算例表明,无论是定量分析还是定性分析,本文方法都能实现流固界面热力载荷的高精度快速转换。

瞬态气动模拟加热控制中的快速高精度“E-T”转换

为了准确模拟飞行器在高速飞行时的瞬态气动加热状态 ,必须使用快速、高精度的计算机瞬态热能控制系统 ,对气动模拟试验的加热过程 ,实行快速、高精度的非线性动态控制 .为此 ,传感器的快速、高精度“E T”转换是一个必须解决的非常重要的问题 .提出一种高速飞行器瞬态气动加热控制系统中传感器的快速、高精度“E T”转换方法 .该方法具有计算简单、转换速度快、校正精度高的优点 。

逆向喷流技术在高超声速飞行器上的应用

高阻力和强烈的气动加热是高超声速飞行器气动设计研究中遇到的两个主要问题。作为一种主动流动控制技术,逆向喷流因其在减阻防热方面的良好效果日益成为研究热点。本文围绕逆向喷流技术在不同外形飞行器上的应用,梳理了其技术发展情况,包括逆向喷流的压比、质量流率以及冷却剂等关键参数的研究,逆向喷流可有效应用于高速再入体的防热,钝头体和升力体的减阻。对其自身表现出的典型物理现象,如流动模态转换、自激振荡的机理进行了详细分析,同时介绍了作者所在研究团队在逆向喷流技术应用于高超声速飞行器上所取得的研究成果,包括飞行器升阻比的提升效果以及滑翔状态下逆向喷流的周期性振荡特性,为此技术在未来的进一步工程化应用提供一定参考及借鉴。

可垂直起降、高速前飞的飞行器设计与控制

本文设计了一种具有垂直起降、悬停和高速前飞能力的飞行器.这种飞行器通过模态转换,既能够实现类似传统四轴飞行器的垂直起降,又能够实现类似固定翼飞行器的高速前飞.同时本文针对这种飞行器设计了模态转换控制律;仿真试验验证了设计方案和控制律的有效性.

空间飞行体地心坐标与大地坐标的快速精确转换

在空间任一点的子午面内 ,建立该点到地球子午椭圆的法线方程 ,以法线与子午椭圆交点的地心坐标为参数 ,导出大地高程和大地纬度的近似算法和严密算法。近似算法十分简单 ,使用有三角函数的手持计算器就可以完成计算。对于高度低于 360 0 0km的任何空间点 ,大地高h和大地纬度B的精度分别优于 31m和 0 1 7°。以近似算法的中间结果为初值 ,可将大地坐标的解算转化为一个二元一次方程组 ,解算非常简单 ,用PC在瞬间即可完成一批空间点的计算并可获得与真值完全相同的大地坐标 ,这为空间飞行体坐标的实时快速计算 。

柔性翼微型飞行器流固耦合数值模拟

根据分区耦合原理,提出了一种计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)/计算结构力学(Computational structural dynamics,CSD)的流固耦合计算方法。结构有限元模型基于完全拉格朗日(Total Lagrange,T.L.)格式求解结构几何非线性。气动计算基于有限体积离散的任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)N-S方程。通过交替数字二叉树(Alternating digital tree,ADT)搜索技术识别两套网格系统之间的宿主-受体关系,采用常体积转换(Constant volume transformation,CVT)和反距离权重(Inverse distance weighting,IDW)法完成网格系统间的数据交换,使用Delaunay图映射法来处理网格移动。将自编的非线性结构有限元程序和接口程序与南航微型飞行器中心的3D2 MUFS流体计算程序相连接,应用于柔性翼微型飞行器的气动计算中。数值计算结果与实验数据吻合良好,验证了该流固耦合计算方法和程序的可靠性和可行性。

微扑翼飞行器驱动电路设计

扑机械昆虫是很小、高机动的仿昆飞行机器人,在勘探、环境监测、搜索和救援、监视等一系列任务中非常有用。压电执行器有小尺寸、高效率、高功率密度的优势,这展示了在微机器人领域的应用前景。实验是通过升压转换器将3.7 V锂电池增加到250 V以上实现的。通过展现压电驱动器的驱动要求、电路拓扑和用于微机器人的压电驱动器的不同控制方式来探索驱动电路设计,并提出克级驱动电路。

基于单目视觉的四旋翼飞行器目标跟踪算法研究

以AR.drone四旋翼飞行器为研究平台,提出一种基于AR.drone前置单目摄像头,并结合卡尔曼滤波跟踪视频中移动目标的方法。将采集得到的RGB图像经过颜色空间转换成对光照变化影响不大的HSV图像;通过Open CV对视频中跟踪目标的图像去噪,对轮廓进行检测寻找图像中最大的轮廓目标,并通过卡尔曼滤波对目标位置进行修正;计算四旋翼飞行器的飞行朝向并实现四旋翼飞行器对视频区域里移动目标的跟踪。实验表明,该方法有效地实现了对移动目标跟踪的准确性、稳定性和快速性。

弹性高超声速飞行器多胞鲁棒变增益控制

现有的高超声速飞行器控制系统设计方法在处理大包线飞行参数变动时计算复杂度较高,且较少考虑结构弹性的影响。针对上述问题,提出了一种基于张量乘积(TP)模型转换和可测状态反馈的多胞鲁棒变增益控制方法。其首先使用TP模型转换方法获取系统的多胞模型,然后基于线性矩阵不等式求解系统的多胞鲁棒变增益控制器。在求取控制器时,为简化控制器结构及降低控制器阶数,将弹性模态视为外部干扰,仅通过实际可测的刚体状态参数作为反馈量来设计控制器。仿真结果表明,所设计的多胞鲁棒变增益控制器可实现参考指令的有效跟踪,并保证整个包线范围内弹性模态稳定。

临近空间飞行器两种捷联惯导算法的等价性

分析了临近空间高超声速飞行器的弹道特点,指出临近空间飞行器具有航天和航空的双重导航信息需求。介绍了发射惯性坐标系和当地水平坐标系下的捷联惯导算法,前者是航天体系下垂直发射飞行器典型导航算法,而后者是地球表面航空飞行器的典型导航算法。针对临近空间飞行高度,改进了航空体系捷联惯导算法中重力计算模型。从位置、速度和姿态3个角度,得到了2种导航体系下导航信息的转换关系,证明了2种导航体系下导航信息的等价性。

一种改进的临近空间高超声速飞行器跟踪算法

针对传统的自适应网格算法在跟踪高超声速飞行器高机动目标时,会出现跟踪位置不稳定的问题,在自适应网格算法中引入了转换模式和抑制模式,得到了一种改进的变结构交互多模型算法——SAG-VSMM算法,通过转换模式和抑制模式的切换来避免了不同模型状态滤波过程中的相互干扰,具有更好的鲁棒性。仿真结果表明,改进方法在跟踪临近空间目标时,能够实现对目标的精确跟踪,并且具有计算量较小、跟踪精度高、鲁棒性强的特点,较传统自适应网格算法跟踪精度得到一定提高。

使用光测设备确定飞行器位置的一种算法

针对用2部光测设备跟踪测量飞行器主动段飞行过程的情况,在已知测量设备所处点经纬度、目标视线方位角和高低角的条件下,根据使两条目标视线之间距离最小的准则,介绍推导了一种在地心坐标系内确定飞行器质心位置的算法,给出了转换到地理坐标系内坐标的算法。

乘波体飞行器低复杂度预设性能反演控制方法

针对传统神经网络预设性能控制方法结构复杂、控制实时性不高等问题,为乘波体飞行器(Waverider Vehicle,WV)提出了一种低复杂度的预设性能反演控制方法。首先,设计了一种形式简单、不依赖初始误差的新型性能函数,对跟踪误差进行包络约束。其次,采用转换误差策略,通过引入一种转换误差,将对跟踪误差的不等式约束等价转换为等式约束。然后,基于转换误差,为WV设计了一种无需任何学习参数的新型反演控制器,并避免了传统反演控制的“微分项膨胀”问题。最后,仿真结果表明,所提方法可以保证跟踪误差良好的动态性能与稳态精度。

双向飞翼空天飞行器概念外形研究

空天飞行器飞行速域宽,气动外形需同时考虑起飞高升力与超/高超声速高升阻比需求,给飞行器的气动布局设计带来很大难度。双向飞翼飞行器概念具有两个互相垂直的对称面,在亚声速时以大展弦比模态飞行,可获得足够的升力,超/高超声速时以小展弦比模态飞行,可尽量降低激波阻力,飞行模态转换的转换通过机身旋转90°实现,可能解决宽速域高升阻比设计矛盾。本文据此构建了一种双向飞行空天飞行器外形,并开展了CFD数值仿真。结果表明,与Sanger类常规布局的空天飞行器相比,双向飞翼概念外形的亚声速时最大升阻比为16,提升30%~50%;高超声速段升阻比性能基本相当,最大升阻比4,说明该外形是一种有潜力的空天往返飞行器方案。在此基础上,从飞行器技术实现角度,系统梳理了双向飞翼飞行器方案面临的三大技术难点,并提出了可行的解决途径或可能的攻关方向。针对飞行器纵向静不稳定度偏大问题,提出调整机身平面形状和剖面形状等,可使静不稳定度降低至10%以内;针对飞行模态转换控制困难问题,创新性地提出了一种基于非对称垂尾的控制方法,在飞行器两个飞行模态下各安置一片垂尾,在提供了足够的模态转换控制力矩的同时,改善了飞行器的横航向稳定性;针对发动机耦合设计问题,提出了一种新的涡轮和火箭发动机独立垂直布置的方法,降低了空天飞行器对组合动力技术的依赖性,有助于双向飞翼空天飞行器的早日实现。