基于解析梯度的微推进转移轨道优化方法

 研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初值猜测和搜索域难以界定的缺点;然后,基于变分原理分析了离散脉冲模型中轨道状态转移矩阵与状态变分之间的关系,并给出了多种轨道特征条件下状态变分的计算方法,该方法可扩展到多次状态不连续情况;在此基础上,推导了离散脉冲轨道优化模型中性能指标与轨道约束对寻优参数梯度矩阵的解析表达式。以地球-火星的燃料最省微推进转移为例对所提解析梯度方法进行了仿真验证。数值结果表明：本文推导的解析梯度矩阵是正确的,与传统数值梯度计算方法相比,解析梯度矩阵可有效改善寻优算法的收敛特性,并能够提高计算效率约47%。     

Optimal Aircraft Go?Around and Flare Maneuvers

This paper analyzes in detail two of the critical aircraft maneuvers associated with approach and landing: the go-around maneuver and the flare maneuver. Optimal solutions that include state and control variable constraints are obtained for both problems. Two algorithms are given for computation of the minimum and maximum altitude loss associated with the pilot-controlled go-around maneuver. A matrix operator is obtained that can be used for in-flight computation of the altitude loss on a small general-purpose digital computer. The flare optimization presented is for a cost functional that includes both the longitudinal touchdown dispersion and the normal acceleration. A closed-loop mechanization is given that approximates the optimal trajectory. A second matrix operator which can be used for prediction of the longitudinal touchdown point is obtained. Uncertainties are also obtained for the purpose of establishing a prediction confidence level. It is proposed that these prediction techniques should be incorporated into a decision making performance monitor. This monitor could provide the pilot with a continuous assessment of the approach and could generate a preflare decision on whether or not to commit the aircraft to the flare maneuver.     

高超声速化学反应源项雅可比矩阵的对角化

基于Von Neumann稳定性理论,对高超声速化学反应流中源项雅可比(Jacobian)矩阵应用不同对角化方法的耦合隐式格式进行稳定性分析。详细推导出对角化方法情况下数值方法的增长因子,并分析不同对角化方法条件下的增长因子与CFL (Courant-Friedrichs-Lewy)数及波数之间的关系。理论分析与数值验证表明,Kim方法较Eberhardt和Ju方法更适合源项雅可比矩阵的对角化,保证数值求解在较大的CFL数条件下也能够实现稳定快速计算。另外,结合计算得到的刚性参数,稳定性分析结果还指出在高超声速化学反应外部流场中,激波与驻点之间的亚声速高温高压状态是导致数值格式计算不稳定的物理因素。     

基于流水避石原理的无人机三维航路规划方法

借鉴自然界流水避石现象,提出一种基于流体计算的无人机(UAV)三维(3D)航路规划方法.首先介绍了球心位于坐标原点时,球形障碍三维绕流问题的解析解.之后采用旋转平移矩阵与流线数据叠加方法生成了任意位置多障碍同时存在的三维流线.为验证解析解的有效性同时给出该方法基于数值模拟的计算过程,对适合无人机三维航路规划的流体模型和数值求解方法进行了分析,并给出了通过数值模拟求解航路的方法.最后,根据无人机机动约束对流线进行处理得到可飞航路,将航路长度、纵向和横侧向机动次数作为子目标函数对航路进行综合评价.仿真结果表明:解析法航路规划中,圆球障碍的地形建模简单计算量小,航路集中在由起点至终点的航路带间;数值法航路规划适合障碍分布复杂的地形,航路分布于规划空间中.这两种方法的航路平滑,能够满足无人机飞行约束,航路具有绕流意义的最优性,可以避免势场法的局部极小问题,并且可以提供多条备选航路.     

等参梯度有限元应用于非线性梯度材料的研究

将等参梯度有限元法应用于非线性功能梯度材料,推导了2种受力情况下指数体积分数变化的功能梯度材料的应力分布解析解。通过不同的单元划分形式,对等参梯度元数值解、均匀单元数值解及解析解三者进行比较分析,得出等参梯度有限元方法对非线性梯度材料同样适用,为等参梯度有限元的推广应用提供了证据。     

基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

为开展非线性气动弹性研究,基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器,开发了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序.该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形.为提高RBF方法的效率,构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法.在多次插值过程中,每次插值的对象为上次插值的误差,并同时限制插值区域,以此实现了空间待插值网格数的精简.数个网格变形的算例表明该方法可支持大变形运动,并且具有较高的计算效率.采用此程序开展了AGARD 445.6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真,结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时,结构非线性对于气动弹性有显著影响.     

大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法

大展弦比大柔性机翼在气动力作用下产生较大的弯曲和扭转变形,会引起明显的气动载荷重新分布。基于一种只具有2个广义转角自由度的梁单元模型,提出了一种大展弦比大柔性机翼载荷重新分布的新方法。该方法将大柔性机翼弯曲变形的几何非线性问题转化为线性问题,同时,基于弯曲变形结果,可在局部坐标系下进行机翼扭转变形求解,避免了整体坐标系下扭转变形的几何非线性问题。综合来看,该方法可将具有明显几何非线性效应的大展弦比大柔性机翼的载荷重新分布问题转化为线性问题,且计算量小,效率高,非常适合工程实用。通过与大柔性悬臂梁解析解的对比,验证了本文方法的正确性和有效性。     

亚燃/超燃双重燃烧冷态掺混的数值模拟

通过求解完全的二维Ｎ－Ｓ方程组，对亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机超音燃烧室的冷态掺混合性层流流动进行数值计算，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式分析一般音速来在股超音速气流间掺混的流动特征，并用代数法生成计算网络。给出的三组算例与文献（１）的实验结果进行对比，结果令人满意。     

耦合高效配平策略的旋翼气动特性分析方法

建立了一个耦合高效配平策略和计算流体力学（CFD）技术的旋翼气动特性分析方法.采用CFD求解器进行雅克比矩阵和旋翼流场的计算,建立了一个包含直接配平法的旋翼气动特性分析平台;引入差量法思想对配平策略进行简化,发展了一种差量配平法,解决了直接配平法中雅克比矩阵计算效率低下的问题,显著缩短了计算时间.旋翼流场求解中控制方程采用Navier-Stokes方程,空间离散格式选取2阶迎风Roe格式,时间推进采用隐式lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS)格式,湍流模型为Baldwin-Lomax (B-L)模型.分别采用建立的基于直接配平方法和差量配平方法的气动特性分析平台对AH-1G和Helishape 7A直升机的旋翼进行了配平计算和研究,对比分析了两种配平方法的计算效率和精度及背景网格的网格量对配平结果的影响.结果表明:与直接配平法相比,耦合差量配平法的气动特性分析方法计算圈数更少,可节省至少60%的计算时间;使用疏化的背景网格虽然不利于捕捉流场细节,但是可以在兼顾配平结果准确性的同时,降低配平计算代价,提高旋翼配平和流场计算的效率.      

Control of spacecraft turns in scheduled time using rocket engines

We obtained an on-off control law for two spacecraft (SC) rocket engines creating the angular acceleration in the opposite directions considering that SC is controlled by the rocket engines with an exponential increase of thrust at starting and decrease at shutdown. This control law provides the change-over of SC from the initial angular position to the final one in the scheduled time. A special trajectory consisting of eight typical segments is proposed to identify the angular acceleration and delay of its formation in the rocket engines. Both problems are solved by the method of analytical construction of composite trajectories for the angular turn from the typical segments on which the differential equations of angular motion have analytical solutions. The results are applicable for the development of promising space interceptors and design of onboard control systems.     

一种适用于三维混合网格的GMRES加速收敛新方法

为提高流场计算收敛效率,发展了一套适用于三维混合网格Naiver-Stokes方程求解的并行广义最小残差（GMRES）隐式时间推进方法。该方法由科学计算可移植扩展工具包（PETSc）中的Krylov子空间求解器实现,线性方程系统中的系数矩阵直接以显式给出以提高算法的稳定性。为进一步提高GMRES方法的收敛速度,对非结构网格的序号进行了重排序,使得系数矩阵的非零元素尽量向主对角线靠近。利用所发展的GMRES方法,完成了对ONERA-M6机翼、AIAA阻力预测会议通用研究模型（CRM）等算例的计算,计算结果与试验结果吻合良好。通过与其他隐式推进方法进行比较,对算法的收敛特性进行了研究。结果表明,所发展的GMRES方法计算更加稳定,残差下降速度相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法更快,尤其是气动力系数向着收敛解逼近的速度更加明显,提高了计算效率。     

A rapid compensation method for launch data of long-range rockets under influence of the Earth's disturbing gravity field

Regarding the rapid compensation of the influence of the Earth' s disturbing gravity field upon trajectory calculation,the key point lies in how to derive the analytical solutions to the partial derivatives of the state of burnout point with respect to the launch data.In view of this,this paper mainly expounds on two issues:one is based on the approximate analytical solution to the motion equation for the vacuum flight section of a long-range rocket,deriving the analytical solutions to the partial derivatives of the state of burnout point with respect to the changing rate of the final stage pitch program;the other is based on the initial positioning and orientation error propagation mechanism,proposing the analytical calculation formula for the partial derivatives of the state of burnout point with respect to the launch azimuth.The calculation results of correction data are sim ulated and verified under different circumstances.The simulation results are as follows:(1) the accuracy of approximation between the analytical solutions and the results attained via the difference method is higher than 90％,and the ratio of calculation time between them is lower than 0.2％,thus demonstrating the accuracy of calculation of data corrections and advantages in calculation speed;(2) after the analytical solutions are compensated,the longitudinal landing deviation of the rocket is less than 20 m and the lateral landing deviation of the rocket is less than 10 m,demonstrating that the corrected data can meet the requirements for the hit accuracy of a long-range rocket.     

基于深度学习的混合翼型前缘压力分布预测

提出了一种基于深度学习的混合翼型前缘压力分布预测方法,通过对翼型几何特征提取、压力分布曲线的参数化,建立了卷积神经网络模型（CNN）,并利用计算流体力学（CFD）的计算结果作为其训练样本,实现对混合翼型前缘压力分布的预测。结果表明:两种方法计算结果的拟合优度大于0.98,基于深度学习的计算方法耗时1.7 s,CFD方法耗时大于50 s,计算时间大大缩短。该方法能够在满足计算精度的条件下提高计算效率并可应用于其他的翼型设计过程。      

多段翼型绕流的数值模拟研究

采用C—H型混合的结构化网格,选用Wilcox提出的k-ω模型求解可压的N-S方程,模拟了多段翼型的流场。结果表明：在4°和6°迎角下的非定常计算结果与试验结果的对比,计算结果与试验值吻合的较好。本文应用了亚迭代时间法,正确地描述了30P30N多段翼型前缘结构区域的流动特征和流动机理。     

地固系GNSS/SINS组合导航正常重力间接算法

相比导航系,GNSS/SINS组合导航在地固系计算,编排效率提高约40％,Kalman滤波效率提高约10％,即使正常重力与姿态矩阵的计算效率偏低,在地固系计算比导航系计算综合效率也提高约30％.针对地固系正常重力计算复杂的问题,提出了地固系正常重力间接算法,首先把三维直角坐标转换为大地坐标,然后在导航系计算正常重力,最后把正常重力转换到地固系,姿态矩阵也在此过程计算完毕.试验结果表明,间接法与传统方法计算精度相当,但间接法计算过程简单直观,计算效率可以提高3％ ～ 26％,尤其对于高速高精度的捷联惯导,效率提高尤为明显,具有重要的工程实用价值.     

高超声速气动力及激波位置快速计算方法研究

采用快速计算方法进行高超声速气动力计算时,影响计算精度的关键问题主要在于模型面网格的划分和计算方法的选取。采用一种灵活实用的结构化面网格划分策略,使得模型的各个部件能分别选择合适的计算方法;发展一种基于近似流线的二阶激波膨胀波方法,该方法可以用于多种具有三维流场特性的部件,不仅降低对使用者的经验依赖,还能提高计算精度;配合激波位置计算方法,可以较为准确地计算模型的激波位置,保证边界层外缘参数的计算精度;粘性力计算使用基于起始面元修正的Spalding-Chi方法和参考温度方法。通过对四个典型算例的计算与分析,表明本文发展的高超声速气动力计算方法具有较高的计算精度,能够作为高超声速飞行器初步设计阶段的气动力快速分析工具。     

面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究

 为了研究压电主动结构振动控制当中作动器的位置优化问题,从系统的状态空间方程出发,在系统可控性Gram矩阵特征值的基础上来描述性能指标,以输入的能量吸收率为优化目标函数,提出了一种新的位置优化配置准则。利用有限元分析(FEA)方法分析作动器的配置,并与遗传算法(GA)结合进行优化计算,计算过程中对作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电简支板结构的仿真计算对该方法进行了验证,并与其他几种不同的配置方法进行对比,从而证明了新方法的优越性。     

层合双曲率厚壳的状态方程及其半解析法

采用正交曲线坐标导出了角铺设层合双曲率厚壳的状态方程及其半解析法。该方法在α－β曲面内采用通常的有限元离散,而沿壳厚（ｒ）方向采用状态空间法给出解析解,从而计入了剪切效应的影响,且通过状态转移矩阵的建立,保证了层界面之间层间位移和应力的连续,减少了计算中未知量数目。     

Analytical solution of discrete colored noise ECA tracking filter

New analytical solutions of steady-state Kalman gains are presented for a discrete-time tracking filter with correlation in both the measurement noise and the target maneuver. The measurement noise model is a first-order discrete Markov process characterized by a correlation coefficient ρ. The target motion is examined for an exponentially correlated acceleration maneuver type in which the vehicle oscillation such as wind-induced-bending is also considered. The present solution method is based on factorizing the observed spectral density matrix Ψ(z) in frequency domain. The algorithm proposed here gives the Kalman gain matrix directly. For a case when the steady-state error covariance matrix is desired, such gains can be incorporated with the algebraic Riccati equation     

基于摄动理论的爆高确定方法研究

分别讨论了两种通过飞行时间确定爆高的方法:解析计算修正法和时间偏导数法,这两种方法都是通过计算延迟时间来确定爆高,具有自主性强、可靠性高的特点。计算了两种方法在不同干扰条件下的结果,分析了造成计算偏差的原因。计算结果表明,两种方法的计算误差都非常小,均可应用于弹道导弹爆高确定。