高速飞行器编队通信保持控制与协同制导技术研究综述

在高速武器平台网络化的背景下,对于高速滑翔飞行器(以下简称“高速飞行器”)的研究不再局限于多约束下的制导方法,而是亟须破解多飞行器协同制导控制技术难题。通过总结部分军事大国研制高速飞行器的发展历程,分析了目前多飞行器协同作战的发展现状与趋势,进而引出研究多飞行器协同制导控制技术的必要性。随后分别对编队通信保持控制技术、带飞行时间约束的协同制导控制技术以及带飞行角度约束的协同制导控制技术的研究现状进行了梳理,为多高速飞行器协同作战探索解决思路,最后对多飞行器协同制导控制技术的未来发展方向进行了展望。

基于红外传感器的多无人机对高速飞行器协同定位跟踪方法综述

为了实现高精度远距离稳定定位与跟踪,多无人机搭载红外传感器对高速飞行器的定位跟踪方法成为研究热点。就此背景进行了综合评述,以相关技术难点及关键技术为切入点,分析了瞬时定位和动态跟踪问题的研究现状和发展方向。在瞬时协同定位方面,首先对目标瞬时定位的算法进行了分析对比,然后对造成定位误差的影响因素进行分析并探讨了误差补偿方法,最后针对传感器资源优化,讨论了能够使计算结果最优的传感器分布阵型。在动态跟踪方面,首先探讨了时间不同步问题对目标跟踪的影响及补偿方法,然后对目标运动学建模的问题进行了分析,最后对最优估计问题中各种滤波算法的应用进行对比。综述表明,无人机搭载红外传感器对高速飞行器进行定位和跟踪,存在误差来源多、相对运动速度快的技术难点,需要特别关注定位算法、误差来源及最优估计算法的影响,以尽可能实现稳定跟踪。

基于实时可达域的高速飞行器分组队形优化

无动力高速飞行器作为欠驱动系统,在进行编队飞行队形优化时需系统地考虑其控制特点。借助“实时可达域”这一概念,在分析高速飞行器实际可到达区域的基础上,考虑集群成员数量变化以及实际集群包含多个任务小组的情况,提出一种适用于高速飞行器集群的分组动态队形优化方法。仿真结果表明提出的队形优化方法可对队形形状和参数进行一体化优化,可灵活适应多种飞行任务,同时也适用于集群成员数量发生变化的队形重构问题,具有重要应用价值。

基于MIMO-ESO的高速飞行器自抗扰控制

针对高速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,设计了高速飞行器MIMO-ESO自抗扰姿态控制器。考虑各通道间的耦合影响,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器及非线性状态误差反馈律,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为“总和干扰”,利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性状态误差反馈律抑制补偿残差。仿真结果表明,MIMO-ESO自抗扰控制器能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性,克服了实际工程中难以建立精确被控模型并获取参数摄动范围的困难,具有工程应用价值。

基于DDPG的高速飞行器预测校正制导律设计

针对高速飞行器在再入滑翔过程中的多约束、强时变问题,本文结合深度确定性策略梯度算法(Deep Deterministic Policy Gradient, DDPG)的在线自主决策优势,根据威胁区信息,实时生成规避策略来进行动态禁飞区规避航迹规划。进一步为增强高速飞行器对环境不确定因素的抗干扰能力,在规避轨迹基础上选取航路特征点集合,采用预测校正在线制导方式,根据飞行任务需求和终端约束,实时校正高速飞行器飞行状态,最终实现高速飞行器精确制导。同时,为验证方法的有效性,开展了相应的数值仿真分析。结果表明,本文方法能够有效规避禁飞区,增强了对不确定因素的适应性,具有一定的工程应用价值。

高速飞行器俯冲段制导控制一体化综述

本文从模型构建和方法设计两个方面对高速飞行器俯冲段制导控制一体化问题进行综述。首先,对俯冲段制导控制一体化模型构建进行总结,依据系统集成度提升程度的不同,分别对分通道制导控制一体化模型、全状态耦合高阶一体化模型,以及集成度提升低阶一体化模型构建进行了介绍,并对飞行器系统和设计模型特性进行了分析,指出了面临的主要设计问题。其次,针对俯冲段制导控制一体化设计难点,从快时变强不确定性鲁棒控制、高阶非匹配不确定性控制,以及考虑多约束控制方面对设计方法进行综述,总结并评述了国内外相关理论的发展现状和不足。最后,对俯冲段制导控制一体化的发展趋势进行了展望。

上升段气动加热对飞行中段高速飞行器红外辐射特性影响分析

飞行中段高速飞行器红外辐射特性是对其进行红外探测、识别及跟踪的基础。飞行中段高速飞行器红外辐射与表面温度密切相关,而飞行器表面温度又与上升段气动加热、空间环境热辐射、防热材料结构等有关,特别是上升段气动加热对飞行中段飞行器红外辐射的影响不容忽视。为获得复杂环境背景下高速飞行器在飞行中段的红外辐射,综合考虑上升段气动加热、环境辐射加热、表面辐射散热和结构热传导等主要因素影响,采用气动热工程计算模型、空间辐射加热、一维多层热传导计算方法,建立了高速飞行器红外辐射分析技术,实现了气动加热、环境辐射加热、自身辐射散热、结构热传导等多种主要因素影响下的高速飞行器飞行中段温度场和红外辐射分析。结果表明:上升段的气动加热会对飞行中段的高速飞行器红外辐射产生较大影响;在飞行中段,飞行器在长波8~12μm波段的红外辐射强度明显大于在中波3~5μm波段的红外辐射强度,选择8~12μm波段更有利于对飞行中段高速飞行器的探测。

高速飞行器热结构力热参数先进测试技术概述

地面试验中准确的力热载荷和结构响应参数的获取,是考核和评价飞行器结构性能的依据和条件。本文针对高速飞行器热结构试验中常用的力热参数测试技术,介绍了相关原理及试验应用中需解决的问题,指出了未来的发展方向。通过上述研究,以期为相关工程技术人员提供参考,推动高速飞行器力热参数测试技术领域向着更高水平发展。

跨流域高速飞行器气动设计研究现状及思考

针对跨流域空气动力学理论的不完善、多物理非平衡效应耦合的跨流域流场高精度预示模型缺乏、大空域和宽速域流动控制难度大等问题,本文从气动布局、气动预示和气动优化三个方面对跨流域高速飞行器气动设计的研究现状进行了回顾,对气动设计中涉及到的难点和关键问题进行了思考,并提出了相关发展建议。

高速飞行器集群通信拓扑自适应控制方法

针对基于传统通信机制的高速飞行器集群控制策略鲁棒性低、所需通信量大的问题,提出一种基于深度强化学习框架的可自主调节通信数量的集群控制方法。其中,使用深度神经网络构建控制策略与通信策略耦合的集群控制策略,其输出包含控制飞行器运动的过载指令以及与邻近飞行器的通信数量。通过与任务环境的不断交互,训练出的集群控制策略能根据环境信息自主调整通信拓扑结构,保证集群控制的鲁棒性和较低的通信量。仿真结果表明,相比于集中式,分层式和分布式通信机制,所提的自适应通信机制可在较低的集群通信量下安全快速地控制飞行器集群到达目标点并且较好地保持编队队形。

高速飞行器燃油瞬态温度预测的修正热网络法

针对高速飞行器燃油消耗全阶段温度场三维瞬态计算存在效率过低问题,为满足高速飞行器燃料系统快速迭代设计过程中燃油温度场计算的需求,通过在热传导方程中添加掺混系数表征燃油内部热对流,在热平衡方程中添加传质项表征燃油宏观流动,提出一种满足设计精度的高效修正热网络方法.基于提出的热网络法构建高速飞行器储油系统瞬态热分析模型,在不同的热边界条件和储油系统几何结构下,该热网络法计算结果与计算流体动力学(CFD)方法结果的偏差低于5%,计算效率极大提高.采用CFD计算与修正热网络法结合的方式,为高速飞行器燃料储存系统设计提供了新的燃油瞬态温度变化预测方法.

高速飞行器空气涡轮发电系统仿真与评估

针对高速飞行器的高空发电问题,提出了一种以高温高压的冲压空气作为工质的预冷-两级膨胀的空气涡轮发电系统。采用理论分析计算与软件模拟仿真计算相结合的方法,建立了高速飞行器空气涡轮发电仿真模型,对空气涡轮发电系统进行性能分析,并采用起飞总质量法对发电系统进行评估分析。结果表明,高速飞行器在飞行高度30 km和飞行马赫数为6的飞行条件下,发电系统所需冲压空气0.0945 kg/s,在换热器处与JP-7燃油充分换热,使得涡轮前冲压空气温度降低至1196.36 K,保护涡轮不受高温损伤,同时发电系统可以稳定输出28.2 kW电量供用电系统及用电设备使用,此外,经换热后的燃油进入发动机,在很大程度上提高了系统的经济性。

基于反步滑模方法的高速飞行器动压控制

以吸气式高速飞行器为研究对象,针对高速飞行器在飞行过程中存在的大不确定性以及冲压发动机工作过程中对动压的严格约束问题,提出了一种基于反步滑模的动压控制方法。首先对高速飞行器动力学模型进行精确线性化处理,然后基于精确线性化模型,设计反步滑模控制器,并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。最后仿真验证了所提控制方法在大干扰和大不确定性情况下对飞行动压的精确跟踪,确保了冲压发动机的稳定工作。

高速飞行器油气涡轮发电系统仿真与评估

采用理论分析计算与软件模拟仿真计算相结合的方法,建立了高速飞行器油气涡轮发电系统仿真模型,将仿真结果与实验结果进行了对比分析,并采用起飞总质量法对发电系统进行评估分析。分析结果表明,高速飞行器在马赫数为6巡航条件下,热电转换率可以达到10.41%,系统单位发电量仿真结果与实验结果最大误差为9.7%,最小误差为1.5%。飞行器在马赫数为7巡航条件下,热电转换率可以达到9.58%,系统单位发电量仿真结果与实验结果最大误差为6.8%,最小误差为0.314%。发电系统中发电设备带来的燃油代偿损失最大,为1.315 kg,占总燃油代偿损失的41.9%。

高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究

远程高速飞行器飞行速度快,滞空时间长,飞行过程中翼、舵等结构会出现长时间的剧烈振动,由气动加热产生的高温还会使飞行器材料和结构的弹性性能发生变化,从而引起翼、舵等结构振动特性的改变.因此获得高温与振动复合环境下的远程高速飞行器翼、舵等结构的振动特性参数对于高速飞行器的安全设计具有非常重要的意义.将高温热环境试验系统与振动试验系统相结合,在对中空翼面结构进行振动激励的同时使用红外辐射加热方式对翼面结构生成可控的热环境,并通过自行设计的耐高温引伸装置将中空翼结构的振动信号传递到非高温区进行数据采集与分析的方式,实现了高达800 C～900 C的力热复合环境下的翼结构固有频率、模态等振动特性参数的试验测试,其试验结果为远程高速飞行器中空翼结构在高温振动环境下的动特性分析和安全可靠性设计提供了重要依据.

高速飞行器壁板颤振的分析模型和分析方法

壁板颤振是壁板结构在高速气流中产生的一种自激振动,在超声速和高超声速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器设计中各项研究工作的开展,壁板颤振问题受到了到越来越多的重视。本文阐述了目前国内外学者在高速飞行器壁板颤振分析领域的研究现状及壁板颤振研究中常用的六种分析模型,并根据壁板颤振分析中使用的结构理论和气动力理论,详述了这种分类的依据。文中还介绍了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律和目前常用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法,总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前在高速飞行器壁板颤振研究中得出的几个重要结论,提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。

高速飞行器用射流预冷却涡轮基发动机性能模拟

根据预冷却涡轮基发动机的工作机理,建立了考虑变比热的计算预冷却涡轮基发动机性能的数学模型,编制了相应的计算软件;并以某小型涡喷发动机为例,沿飞行轨迹计算分析了射流预冷却对发动机性能的影响。从计算结果可以看出,采用喷流预冷却方式,可以大大扩展常规涡轮喷气发动机的工作范围,能够满足高速飞行器或两级入轨飞行器第一级动力装置的要求。

高速飞行器红外制冷头罩设计

高速飞行器在大气层内高速飞行时,其头罩表面受大气气流的影响产生严重的气动光学效应。为了降低气动加热对头罩和侧窗结构材料的强度与刚度的影响,从侧窗制冷方式选择与设计、侧窗材料选择与设计、罩体材料选择与设计等方面进行研究,设计出了高速飞行器光学制冷头罩。

空天高速飞行器多传感器协同跟踪任务规划研究

针对空天高速飞行器连续稳定跟踪难题,构建了基于多智能体(multi-agent system,MAS)的多传感器协同跟踪任务规划框架,建立了面向空天高速目标协同跟踪的多传感器协同调度优化模型,并提出了基于自适应克隆遗传算法(self-adaptive clonal genetic algorithm,SCGA)的协同跟踪任务规划算法。仿真实验验证了所建立的模型、算法的合理性和优越性,对未来空天高速飞行器探测预警系统的构建具有一定的技术支撑作用。

高速飞行器等离子体减阻的数值模拟研究

针对典型的楔形体飞行器头部,利用在头部单点喷射产生等离子体的方法,研究了等离子体对高速飞行器阻力的影响。采用二维粘性磁流场方程,计算了不同马赫数、不同等离子体数以及无等离子体情况下的流场特性和阻力。介绍了数值模拟方法、研究对象,给出了典型的计算结果,并分析了等离子体喷流减阻的机理。结果表明:等离子体喷流可以有效减少飞行器的阻力,但其减阻的效果与来流马赫数等参数有很大的关系;当马赫数为3时,等离子体减阻可接近30%。