高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境，采用分区求解方法，实现气动力/热/结构多场耦合计算，并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型，对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲；拉伸变形主要由气动热引起，弯曲变形主要由气动力引起；导弹头部气动热与气动力载荷大；耦合效应随着导弹攻角增加更加明显，造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

大长径比卷弧尾翼火箭弹气动特性数值研究

采用CFD方法对大长径比卷弧尾翼火箭弹流场进行了模拟,对比风洞实验数据,验证了数值方法可靠性.对比单个弹体和翼身组合体的气动特性,得到了卷弧尾翼对全弹气动特性的影响.利用正交设计方法,建立以卷弧尾翼6个几何参数为因素的正交数值实验表,得到卷弧尾翼几何参数对各个气动系数的影响.分析零安装角卷弧尾翼在超音速下零度攻角时流场,指出翼面压力分布差异,得到自诱导滚转力矩产生机理,同时分别指出超音速时其随攻角、曲率半径、展弦比和马赫数的变化趋势.     

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。     

旋转导弹非线性动力学建模方法研究

为解决传统线性建模方法不能准确描述旋转导弹不稳定运动形态的问题,对一种旋转导弹非线性动力学建模方法进行了研究。基于空气动力学作用原理,在全攻角坐标系中建立旋转导弹的六分量气动力的描述。考虑导弹弹体运动描述的直观性,在准弹体坐标系中进行动力学建模,采用偏微分形式对气动力和气动力矩进行表述,通过等效代换获得完整的导弹非线性动力学模型。建模中考虑了静稳定力矩和马格努斯力矩对攻角的气动非线性作用,以及洗流迟滞等气动非定常效应的影响;增加了非线性阻尼的作用和舵偏角速度引起的洗流项;考虑了转速效应的影响,增加了转速对面内力矩和面外力矩的作用项。数值仿真结果表明:根据参数不同,该模型可描述攻角运动收敛、分叉和极限环等运动形态。研究为旋转导弹运动分析提供了数学模型基础。     

飞行器变质心控制及性能分析

在合理简化基础上,推导了滑块运动与飞行器姿态角运动之间的关系,分析了配平攻角产生机理及条件;同时还深入分析了轴向位置、横向偏移量、质量比等滑块结构参数对配平攻角的影响;以及不同配平条件下弹道落点偏差情况。结果表明,气动阻力与系统质心偏移弹体纵轴是产生配平攻角两个必要因素,系统静稳定是产生配平攻角的前提条件;轴向位置决定了系统静稳定裕度,与配平攻角呈反比关系;横向偏移量改变控制力矩的力臂,与配平攻角呈正比关系;质量比对力臂和系统静稳定裕度均有影响,与配平攻角呈线性或非线性正比关系;变质心控制能力主要体现在低空段。     

双翼末敏弹尾翼弹性对气动特性影响分析

受安装条件限制,无伞末敏弹尾翼通常很薄,在末敏弹下落过程中,厚度不超过1mm的末敏弹尾翼将在气动力作用下发生一定程度的变形,变形后的尾翼又将对末敏弹气动特性产生影响。文章采用双向流固耦合方法对S-S型双翼末敏弹弹性尾翼进行研究,分析末敏弹气动参数随攻角和速度的变化趋势;采用计算流体力学方法对末敏弹刚性尾翼进行研究。将弹性尾翼与刚性尾翼的末敏弹气动参数进行对比。结果显示,刚性翼、弹性翼末敏弹的阻力系数均随攻角的增大呈准线性递减趋势;刚性翼、弹性翼末敏弹的升力系数均随攻角的增大呈递增趋势。自由飞行试验结果显示,末敏弹的气动参数与弹性翼末敏弹的仿真结果更为贴切。     

自旋导弹飞行共振稳定性研究

弹体滚转时,结构不对称等因素会对导弹的角运动产生周期性的强迫干扰。针对自旋导弹飞行过程中的周期性干扰和非线性气动特性,建立了非线性弹体角运动模型。在此基础上,采用多尺度法对自旋导弹的受迫角运动方程进行了求解,得到了近似解析解并研究了其稳定性。研究表明,当弹体转动速率接近固有频率时,气动非线性项及干扰项都将影响弹体角运动的稳定性;分析结果显示,合理地设计气动外形可避免共振不稳定的发生,这对自旋类导弹的工程研制具有一定的指导性意义。     

基于有限时间稳定和Backstepping的直接力/气动力复合控制方法

针对采用直接力/气动力复合控制的导弹,研究其控制系统的设计问题。将直接力引入控制系统,在提高系统响应速度的同时,也使控制系统的结构复杂化。如何合理的设计控制方法,使得直接力和气动力能够协调工作、优势互补成为一个亟待解决的问题。针对气动舵控制回路,基于有限时间稳定理论,求解最短时间控制问题,得到一个具有良好特性的受控弹体;针对此受控弹体,基于Backstepping方法,研究直接力控制律,加快系统的响应速度。在整个控制系统设计过程中,通过“隐攻角”反馈对弹体进行增稳,进一步改善系统的响应品质,使控制系统达到“稳、准、快”的控制效果。仿真结果表明,复合控制系统的响应过程快速且平稳,验证了控制方法的有效性。     

一种基于当地流活塞理论的超音速导弹气动伺服弹性分析方法

运用当地流活塞理论计算导弹的非定常气动力，在状态空间内实现了气动弹性系统与控制系统的耦合，并进行了时域分析。对某典型导弹的气动伺服弹性问题算例，计算了不同马赫数、不同迎角以及不同的传感器安装位置对导弹气动伺服弹性特性的影响，同时考察了控制系统的引入对不同刚度弹体气动伺服弹性特性的影响。算例结果与理论分析相吻合，表明该方法能简便的对全机、全弹复杂外形的气动伺服弹性正问题进行高效准确的分析，在较大范围的马赫数和迎角内都能得到可靠的结果。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

滚转偏转头导弹动态特性分析

基于复角模型,研究了弹头偏转对于偏转头导弹飞行稳定性和操纵性的影响。依据偏转头导弹的多体特点,建立了包含弹头和弹体动力学特征的滚转偏转头导弹多体动力学模型,通过模型简化,得出了其复角模型。以弹头偏角作为输入,攻角和侧滑角作为输出,得出了滚转偏转头导弹的传递函数。分析传递函数发现,弹头偏转主要影响了导弹传递函数的零点,文中给出了满足系统最小相位的条件公式;当弹体绕纵轴逆时针旋转时（由弹尾向前看）,导弹模型总为最小相位系统;定性分析了气动参数对于导弹运动稳定性的影响,得出弹头偏转运动对于飞行稳定性没有直接影响的结论;动力学仿真表明,弹头与弹体相互作用,导致两者产生相反的角运动。本研究表明,通过合理的选择气动和结构参数,并使导弹飞行过程中绕纵轴逆时针旋转,可以保证偏转头滚转导弹飞行过程中的运动稳定性,并有利于自动驾驶仪的设计。     

再入弹头非对称气动力研究

本文通过六自由度弹道方程数值模拟了再入弹头非对称气动力和非对称静、动导数对弹头滚转异常的影响;阐述了非对称气动力及非对称静、动导数产生的机理。本文利用作者建立的近似计算和数值计算方法,计算了典型的非对称再入弹头的气动力,定性分析了非对称气动力随弹头几何参数的变化规律,对再入弹头设计有重要的参考价值。     

轴对称体外部流场的有旋特征线法

轴对称体的无粘，可压缩，定常，超音速流动的外部流场，在计算时，常采用流动为无旋的假设，当头部激波弯曲较大时，会产生一定的误差。本文对绕轴对称体的这类流动，用有旋特征线理论进行了数值计算。结果与实验数据的比较表明：用有旋特征线理论对绕轴对称体的流场进行计算是完全可行的。该方法的应用对轴对称体的气动力计算具有实际应用价值。     

典型再入返回器气动特性对比与改进研究

返回器气动特性研究对宇宙飞船的研制起着先导和制约作用。文章对Apollo、CEV和类Soyuz这3种典型的轴对称钝头体再入返回器气动布局进行了气动特性的对比分析,发现与Apollo、CEV相比,类Soyuz外形的升阻比偏小,无法满足以第二宇宙速度载人空间再入返回的要求。在此基础上研究了几何参数（包括倒锥角和球冠半径）变化对类Soyuz外形返回器气动性能的影响规律,从中得到类Soyuz外形的改进方向,提出了一种以类Soyuz外形为基础的改进设计外形,并对该外形的升阻特性、稳定性和配平特性等相关气动特性进行了分析。研究表明通过对几何外形参数的调整优化来提高类Soyuz外形的升阻比,从而达到以第二宇宙速度再入返回的升阻比要求,这样的技术途径是可行的。     

乘波体设计方法及设计参数分析

乘波体是一类典型的高超声速飞行器外形,它具有较高的升力及升阻比特性。建立了一套基于激波装配法的乘波体设计方法,该方法采用激波装配法获得精确激波位置,同时引入导波体的概念,通过设计导波体的构型来决定激波面的形状,引入导波体构型参数。通过改变导波体俯视外形前后锥角度、前后体长度比、侧视外形表面后锥角度等参数,比较其对最终乘波体气动特性的影响,并分析了这些参数改变对乘波体气动特性影响的内在机制,为工程化乘波体设计提供理论指导。     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。     

导弹复合控制系统的多目标优化设计

建立了具有气动力/直接侧向力混合控制的导弹动力学模型,采用反馈加前馈控制结构,设计了导弹复合控制系统,实现了气动力/直接侧向力的解耦控制。建立了导弹复合控制系统性能代价函数,并采用进化策略实现了复合控制系统参数的多目标优化。仿真结果表明:进化策略收敛速度快,优化以后的导弹复合控制系统具有很好的快速大机动跟踪能力,且直接力控制有效补偿了气动面控制效益低下和非最小相位系统造成的响应延迟。     

Study on variable-shape supersonic inlets and missiles with MRD device

This paper proposes a new aerodynamic device, which was designated multi-row-disk (MRD). This device has a cone and stabilizer disks being arranged in the axial direction. This device can arbitrarily change its aerodynamic characteristics by translating stabilizer disks. In the first part of this paper, the effect of several nose shape configurations including the MRD device on the aerodynamic characteristics is reported. By increasing the number of stabilizer disks, zero-lift drag and induced drag can be reduced. It was also found that putting cavities on the conical surface is effective for improving longitudinal static stability. In the second part, the effect of cavity flow instability on pressure and strain oscillation is reported. We drew the design criterion that the configuration of stabilizer disks should be determined not to couple the 1st mode with pressure oscillation frequency, which can be predicted with Rossiter's formula.     

Amplitude—frequency analysis of Chandler oscillations of the Earth’s pole

An approximate nonlinear spectral-correlation model of fluctuations of the amplitude—frequency characteristics of the Chandler self-excited oscillations of the Earth’s pole is considered. The sensitivity of the model parameters to the asymmetry and anisotropy of fluctuation-dissipative moments of forces and to the effect of harmonic gravitation-tidal moments of forces is studied at Chandler frequency and frequencies close to it. The results of analytical and statistical modeling of the stability of the amplitude—frequency characteristics are presented. The influence of fluctuation disturbances of the white noise type on spectral-correlation characteristics of the oscillations is investigated.     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。