基于参数化外形的通用大气飞行器建模与分析

提出了一类翼身组合升力体外形通用大气飞行器(Common Aero Vehicle,CAV)的参数化外形建模方法,采用气动工程预估方法计算CAV的气动系数,拟合得到能用于再入飞行器制导与控制仿真的气动模型,并通过分析,得到该模型静稳定性、气动效率及气动控制特性等方面的结论。结合飞行器再入飞行的运动方程,选取平衡工作点,基于小扰动线性化模型得到系统特征根分布来分析其稳定性,发现固定姿态的滑翔飞行时系统有正半平面极点,需主动控制调节;为了分析机动性,提出了以星下点轨迹曲率求取CAV转弯半径的方法,可快速获取机动性评估与参考指标,结果表明,该模型具有较好的转弯机动能力。

通用大气飞行器的参数化气动布局研究

提出了一种新的升力体类通用大气飞行器布局方案。应用基于二次曲线的模线设计方法,通过二次曲线的控制点和形状参数实现参数化外形建模,构造适用于通用大气飞行器的升力体布局方案,提高飞行器气动布局方案的设计效率,为进一步的气动特性计算和布局方案设计优化奠定基础。采用修正的内伏牛顿流理论,对通用大气飞行器进行高超声速气动特性计算,并进行了质心设计,获得的高超声速稳定配平升阻比达到3.5以上。进行了控制舵面设计和控制效率的计算分析。

关于大气飞行器的控制增益自适应调节方法研究

研究的目的是解决飞行器飞行空域和飞行状态大范围快速变化时姿态控制系统的适应性问题。采取的方法是首先通过某一大气飞行器的传递函数计算分析,找出对传递函数幅相特性影响比较大的关键动力学系数,再通过对关键动力学系数的全气动表变化规律研究,设计出姿态控制系统的动静态增益随M,α,β和q的变化规律,从而实现了动静态增益在整个飞行状态下的自适应调节,大大提高了姿态控制系统的裕度和适应性。

某类跨大气层飞行器全航程红外辐射特性分析

针对某类跨大气层飞行器飞行过程中需要进出大气层,且飞行速度跨度大等特点,建立了不同空域、不同飞行速度下的机体头部受热模型。当在大气层内飞行时分别使用经验公式和Lees公式计算马赫数小于5和大于5时头部受热情况,当在大气层外飞行时建立了考虑太阳直射、地球反照和地球红外加热情况下的受热模型。利用普朗克定律得到了相同温度下不同波段的红外辐射能量占比情况。最后利用本方法对某类跨大气层飞行器进行了温度和红外辐射计算,得到的计算结果能够大致反映全航程头部温度和红外辐射变化情况。

跨大气层飞行器的无动力跃滑弹道优化研究

针对跨大气层飞行器的无动力跃滑飞行弹道的特性,建立了其飞行动力学模型,通过弹道仿真分析了该弹道相对于最小能量弹道所具有的射程和突防性能优势,提出了几种跳跃飞行可能采用的控制方式,其中最大升阻比控制方式在单一控制方式中的射程最大,在此基础上,基于射程最大进行全弹道优化,结果表明最大升阻比滑翔飞行是使射程最大的最佳飞行方式。

基于乘波构形的跨大气层飞行器气动布局

利用乘波构形具有升阻比大的特点,将其作为滑翔跳跃式跨大气层飞行器的基准外形进行研究,提出了乘波构形的设计方法,详细分析了各设计参数对乘波构形的影响,研究了不同马赫数、不同优化目标下得到的乘波体的性能,得到了升阻比大、容积效率高的跨大气层飞行器气动布局,所得结论对跨大气层飞行器气动布局和乘波体外形的研究具有一定的参考价值。

跨大气层飞行器RCS干扰数值模拟研究

针对跨大气层飞行器外形,开展了超声速流动中的侧向喷流干扰问题研究。数值模拟了一定高度和飞行马赫数条件下不同喷流控制形式的干扰现象。结果表明:由于喷流与来流的相互作用,使流动变得相当复杂,相应的气动力发生变化,喷流所引起的气动干扰因子随高度的变化较为剧烈,但随攻角、马赫数的变化却比较平稳。喷流与来流的相互干扰随高度增加而变弱,在一定高度可以忽略这种干扰。

跨大气层飞行器爬升段纵向飞行控制律和制导律设计

由于火箭发动机的巨大推力,跨大气层飞行器在爬升段加速很快,重量、重心、惯量、飞行速度以及飞行高度等参数变化剧烈,无法简单地用固定控制增益参数的形式来保证整个飞行包线内的飞行品质要求。根据飞行器的爬升特点和控制难点,在爬升段的飞行包线内选择典型设计点,分别进行纵向内外回路控制律的详细设计。采用控制增益参数随动压变化进行调参的方法,对爬升段飞行轨迹进行了数字仿真,结果表明设计的控制增益参数及控制律,满足了跨大气层飞行器爬升段的预定目标要求。

跨大气层飞行器空间转移轨道优化设计

基于跨大气层飞行器的特点和运行应用的任务需求,分析了飞行器可能进行的空间变轨与机动飞行。针对共面有限推力时间最短轨道转移问题,建立了优化模型。采用一阶梯度算法结合共轭梯度算法的方法求解了终时不固定的最优控制问题。仿真分析表明,这种组合算法综合利用了2种算法的优点,对于此类两点边值问题的求解有很强的收敛性。

跨大气层飞行器爬升段飞行控制律方案研究

跨大气层飞行器在爬升过程中重量、重心、高度和速度等参数变化剧烈,因而飞行器的操纵稳定特性也变化急剧,与常规飞行器相比其飞行控制律设计有它的特殊性。针对跨大气层飞行器的飞行特点,提出了四种纵向控制律初步方案,分析研究了这四种控制律设计方案的特点及存在问题,为具体的控制律方案设计提供了初步基础。

复杂外形跨大气层飞行器模型气动热试验研究

针对复杂外形跨大气层飞行器,在2m激波风洞中开展了气动热试验研究,试验条件为:M∞≈10,迎角α=0°,10°,20°,30°,40°。通过试验给出了飞行器模型表面沿迎风中心线、背风中心线、机身四个截面、机翼上下表面、翼前缘、尾翼表面的热流分布试验结果。同时,发展了有限体积法的三维可压缩N-S方程解算器,建立了气动热数值计算方法,并根据风洞试验条件进行了气动热数值计算,与试验结果进行了分析比较。综合试验和数值计算结果,对跨大气层飞行器的气动热特性进行了分析研究,给出了表面热流的分布特征和随迎角的变化规律。

跨大气层飞行器爬升段飞行仿真研究

跨大气层飞行器在爬升过程中飞行参数及质量特性变化剧烈,因而飞行器的操纵稳定特性也相应迅速变化。各种干扰因素的影响对飞行控制系统设计起着不可忽视的作用。对此进行了分析研究,仿真结果表明分离时刻载机与飞行器之间的干扰气流影响飞行安全;点火时机合理地选择、缓和拉起爬升动作对爬升初始阶段飞行参数稳定合理地变化也很重要;无动力爬升段结束后姿态控制对稳定飞行器横侧特性起着关键的作用。爬升过程中出现发动机停车状况,只要控制合理,也可以将飞行器安全着陆。

可重复使用跨大气层飞行器多学科设计优化中姿控子系统的建模与仿真

在对可重复使用跨大气层飞行器(RTAV)进行多学科设计优化(MDO)的过程中,对RTAV姿控子系统的时域仿真是姿控子系统设计和飞行稳定性分析的重要手段。对某RTAV的MDO过程中姿控子系统的Simulink建模与三通道综合时域仿真的方法进行了研究。从理论上分析了建模、仿真过程中遇到的代数循环问题,并针对问题特点提出了解决方案。

天基红外低轨卫星网对大气层内飞行器探测能力分析

在未来的攻防对抗中,为了突破防御方的探测与拦截,各种进攻手段将被广泛采用,分析防御方对来袭目标进行探测的能力将有助于进攻方突防策略的制定.针对美国现有和将要使用的NMD系统中的低轨卫星网,在充分调研SBIRS-low卫星的主要性能参数及工作过程的基础上,建立了天基红外低轨卫星网的探测模型,重点分析了天基红外低轨卫星网对大气层内飞行器的探测能力.

跨大气层飞行器气动伺服弹性稳定性分析方法研究

跨大气层飞行器通常采用翼身组合体外形,机体结构柔性大,飞行控制系统通道之间交联耦合且通频带宽、再入扰动因素复杂、气动加热严重,上述因素可能导致气动伺服弹性或热气动伺服弹性问题。考虑外界干扰不确定性、飞行器模型摄动和控制通道耦合等因素,跨大气层飞行器需进行多通道交联耦合气动伺服弹性鲁棒稳定性分析。通过弹性飞行器动力学建模、非定常气动力拟合、伺服系统和飞行控制系统建模,建立了气动伺服弹性系统的闭环模型。在此基础上对Nyquist方法、最小奇异值法以及结构奇异值μ方法等气动伺服弹性稳定性分析方法进行了分析与讨论,得出相关结论。

基于UKF的大气层外飞行器光学卫星跟踪滤波方法

结合飞行器技术与探测跟踪技术的快速发展,针对飞行器星座探测跟踪应用背景,提出了一种基于UKF的大气层外飞行器光学卫星跟踪滤波方法,解决了合理观测距离情况下对大气层外飞行器光学卫星高精度跟踪与30 s内速度估计误差快速收敛问题,仿真验证了算法的有效性及相较于EKF滤波一定程度的优越性。

跨大气层和空间区域飞行器的液体推进剂管理

根据大气层飞行环境与机动飞行特点,以及空间飞行环境与液体推进剂特点,分析了跨大气层和空间区域飞行器的保证重力场和失重状态下均无夹气液体输送、控制液体推进剂质心位移、剩余推进剂空间排放和重复使用等液体推进剂管理技术要求。阐述了相应的关键技术,如包括无夹气输送、液体质心位移控制、失重状态下的流体动力、参数确定和结构设计等管理模式确定,以及包括模型参数确定、模型、状态模拟和验证等的管理模式试验。

通用飞行器气动特性规律仿真计算模型

在飞行器气动运动规律建模过程中，需要进行大量的气动特性预测，预测的过程需要大量的计算，传统的基于气动力工程计算方法会受到属性复杂度的影响，但预测精度不高，计算量过大，会导致延迟问题。提出一种通用飞行器气动特性规律计算混合模型，模型采用响应面建模方法配合CFD软件修正的气动力工程计算方法，在不损失原工程计算方法模型仿真效率的前提下，建立起飞行器的混合气动模型。仿真结果表明：混合气动模型的误差从原来的5％～30％下降到5％以内，而计算时间几乎不变（仍约为3s），说明了修正后的气动力工程计算方法，在保持原工程计算方法的高计算效率的基础上，进一步提高了计算精度。

美国将研制可在2h内实施全球打击的高超声速飞行器

美国空军和国防高级研究计划局正在联合发起一项称作军用和美国本土起飞(Foree Application and Launch from Continental US，FALCON)的计划，旨在开发可即刻执行全球打击任务的高超声速飞行器的技术和演示能力。该计划将重点研制一种由超燃冲压发动机推进。

基于气动导数的类X-37B飞行器纵向稳定性分析

为了定量地研究跨大气层轨道飞行器在不同飞行条件下俯仰方向的动态特性,在Etkin气动力模型的基础上,详细研究了飞行马赫数、减缩频率、振动幅值、平均迎角等因素对此类飞行器纵向动态特性的影响规律。研究结果表明,平均迎角和飞行马赫数决定了流场的基本特性,所以对气动导数的影响很大;而减缩频率和振动幅值决定了非定常扰动的强弱,影响非定常气动力的大小,决定非定常迟滞效应的强弱。对类似X-37B的跨大气层轨道飞行器来说,平均迎角越大,机身后方背风区的涡流作用越强,纵向稳定性越强。在亚声速范围内,随着飞行马赫数增加,纵向稳定性增强,在超声速范围内,随着飞行马赫数增大,纵向稳定性减弱。振动幅值大小虽然影响了流场的形态,但对气动导数的数值大小没有明显影响。振动频率对动态特性的影响也不明显。希望研究结果可为中国未来类似飞行器的研究和发展提供相应的参考和技术储备。