基于WDPR-8支撑与弯刀尾支撑的风洞对比试验研究

对国内近年设计的具有典型先进战斗机布局的动态试验标模，采用8绳牵引的绳牵引并联机器人（WDPR-8）支撑和传统弯刀尾支撑在FL-5风洞中进行对比吹风试验。根据风洞试验环境及仿真计算系统的刚度与工作空间，设计了满足要求的WDPR-8绳系结构和支撑机构，并建造了样机；在阻塞比及两心距足够小的前提下，保证了模型在两支撑系统中的通用性，以此设计内置六分量杆式天平的试验模型；利用绳拉力信号并联WDPR-8视觉采集系统与风洞VSS采集系统，实现气动力、机器视觉和绳拉力3个采集系统同步工作；在除支撑系统以外其他试验条件保持一致的条件下，进行重复性试验、纵向试验和横向试验。数据处理时，弯刀尾支撑进行了尾支架修正，WDPR-8支撑未修正。比较对照试验结果可得:两者在纵向试验的重复性试验所得升力系数最大均方差差别很小，2种支撑得到的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数的最大均方差不超过3.6%；横向试验在试验攻角范围内，2种支撑得到的侧向力系数对侧滑角的导数变化规律基本相同。用WDPR-8支撑进行的单自由度俯仰振荡试验得到的升力系数迟滞环曲线各环首尾连续，与静态升力系数曲线走势一致，且非定常迟滞环面积随减缩频率增大而增大，符合物理意义。试验研究结果反映出WDPR-8支撑的可行性及结果的有效性。      

高超声速飞行器抗干扰反步滑模控制

针对存在参数不确定及外部扰动下的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题,研究了一种基于反步法的抗干扰滑模控制设计方法.将非线性高超声速飞行器动力学模型表达为严反馈形式分步进行设计.采用滑模控制方法进行每步的控制器设计,并提出采用扩展状态观测器（ESO,Extended State Observer）方法实现对参数不确定及外部扰动产生的内外干扰进行估计,继而在控制中补偿.扩展状态观测器能保证对干扰的估计收敛到真值附近的邻域内,从而能够保证较好的补偿效果.通过0.5°附加干扰攻角和25%的气动参数偏差下的非线性高超声速飞行器动力学模型仿真结果验证了该抗干扰滑模控制方案对内外干扰的抑制效果和闭环系统良好的跟踪性能.      

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响，飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究，利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量，并结合热流测量结果，研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%；高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程，试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明:所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。      

基于模型迁移方法的高超声速飞行器建模

高超声速飞行器的研发是一个小批量多批次的过程。为了降低实验成本缩短建模周期,引入了模型迁移方法计算具有相似外形的高超声速飞行器的气动参数。首先研究了一种评价飞行器气动外形间仿射相似度的方法,当相似度满足要求时,可使用模型迁移方法计算新飞行器的气动参数。接着基于高超声速相似律,使用基飞行器的气动参数对新飞行器气动参数初次迁移。当初次迁移结果不能满足建模精度要求时,应用偏差校正的方法对迁移过程修正。最后为了消除飞行高度对高超声速流黏性的影响,引入高超声速边界层理论迁移飞行器不同高度上的气动参数。通过对仿真结果的分析,验证了模型迁移方法对具有相似外形的高超声速飞行器建模的有效性。      

考虑绳阻尼的绳系并联机器人动力学特性分析

针对应用于风洞试验模型支撑的绳系并联机器人的设计需求，采用实验和理论建模相结合的方法，研究绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。首先，为了准确地定量描述绳阻尼，设计了一套测量绳阻尼的实验装置，通过实验得到了不同参数下的绳阻尼比；其次，考虑了绳阻尼，对绳张力进行建模，并提出了考虑绳阻尼的绳系并联机器人的动力学建模方法；最后，分析了绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。结果表明:绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的影响主要体现在响应幅值上，绳直径越大，绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的减振作用越明显。当绳阻尼系数大于0.6 N·s/m时，不论绳直径粗细如何，绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响不能忽略。研究结果可为绳系并联机器人的设计提供理论指导。      

基于数据驱动的弹性高超声速飞行器控制方法

高超声速飞行器存在气动非线性强、复杂振动干扰等特点,参数不确定性大条件下传统依赖于精确模型的控制方法品质下降明显,需要进一步提高控制系统在线适应能力。本文针对弹性高超声速飞行器过载跟踪性能在线优化和弹性振动影响下的控制参数优化问题,提出了一种基于数据驱动的自学习控制方法,首先将高超声速飞行器输出反馈控制问题转化为状态反馈形式,采用鲁棒自适应动态规划算法设计了适用于过载跟踪问题的无模型控制参数在线优化方法,然后针对飞行器复杂弹性振动干扰的问题,提出了基于陷波滤波器的自适应动态规划控制方法,从而保证了振动影响下的控制参数在线优化效果。仿真结果表明,在不依赖于准确模型参数的条件下,本文所提的方法能够有效实现弹性振动干扰下的控制参数在线优化,并提高过载跟踪控制品质。     

基于状态反馈的黄金分割控制器参数化方法及其在高超声速飞行器上的应用

研究气动参数摄动和外界扰动下高超声速飞行器姿态系统的鲁棒自适应控制问题.引入特征建模的思想对高超声速飞行器的姿态系统建立二阶差分方程模型.考虑到高超声速飞行器再入过程要经历飞行环境的剧烈变化的特点,为了提高闭环系统的瞬态响应性能和抗扰能力,设计了黄金分割鲁棒自适应控制器.该控制器具有与特征模型相似的结构,控制器参数通过在线辨识获得,并且按照黄金分割比生成控制信号,能够保证辨识参数收敛过程中系统的稳定性.基于混合H2和H∞控制思想对标准的黄金分割自适应控制器中的参数λ进行在线优化,从而保证了姿态回路对气动参数摄动和外界扰动具有满意的鲁棒性.所提出的λ(k)优化算法是通过对一组线性矩阵不等式求解得到的,因此易于工程实现.改进后的黄金分割鲁棒自适应控制算法在自适应性和鲁棒性的优越性使得该方法尤其适用于高超声速飞行器姿态控制系统.仿真结果验证了控制方法的有效性和实用性.     

动量增升高升阻比飞行器横航向稳定性研究

考虑高超声速飞行器装填、防热及操稳等多约束条件下的实用化设计需求,提出一种新型下反式高升阻比滑翔飞行器气动布局。借鉴乘波体飞行器的高升力设计方法及动量增升原理,该新型飞行器采用下反式后掠翼构型,上表面为光滑倒圆“Λ”形设计,下表面为内凹的装填空间,为尽可能避免长时间超远距离高超声速飞行带来的防热负担,采用后缘体襟翼及体侧扩张方向舵面设计。采用数值计算方法对所提布局思路进行验证分析,计算结果表明：在飞行高度为40 km,Ma=10的条件下升阻比可以达到4.48左右,在一定迎角范围内均具备很高的气动效率,验证了所提布局的有效性。同时重点针对所提布局共性的横航向稳定性问题基于数值模拟方法探讨了3种不同优化改进方案的效果及可行性,并采用风洞试验对两侧翼梢V尾的控制方案进行横航向稳定性控制效果的试验验证,结果表明：采用两侧翼梢V尾的控制方案是实现横航向稳定性控制的较优方案。     

高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

吸气式高超声速飞行器冷流试验设计及验证

对于吸气式飞行器而言,地面冷流试验是检验其进气道性能及气动特性的一项重要手段.以二元混压式进气道、机体/推进系统耦合为基本特征,设计了采用超燃冲压发动机为推进系统的内外流一体化巡航飞行器,针对其高超声速特性开展了冷流风洞试验,来流速度范围Ma=5.0~7.0,攻角范围α=-4°~8°.测压试验结果表明,随着来流马赫数的增大,进气道的总压恢复系数下降;而流量系数先上升,在设计点达到最大值;在一定攻角范围内,进气道的总压恢复系数和流量系数提高,但当攻角增大至巡航攻角时,随着攻角的增大,进气道的总压恢复系数和流量系数逐渐下降.测力试验验证了数值算法的有效性,除轴向力系数以外,其余气动特性系数的发展规律及数值基本吻合,可通过修正试验值的方式外推出飞行器的气动特性数据.     

超声速栅格舵/弹身干扰特性数值模拟与试验研究

对于呈十字型布局的栅格舵与弹身组合体来说,在有迎角存在时,位于弹身垂直平面的栅格舵会处于弹体头部分离涡的干扰区,而位于弹身水平面的栅格舵主要受弹体上洗流的影响,2种安装形式的栅格舵的气动特性会有较大差异。为研究弹身对栅格舵气动特性的干扰影响,基于典型栅格舵及栅格舵与弹身组合体布局,利用数值模拟方法对比分析了有无弹身干扰情况下栅格舵的超声速气动特性,分析了弹身对不同安装位置栅格舵的扰流特性、载荷分布,研究了由单独栅格舵气动特性转换到存在弹身干扰时栅格舵气动特性的修正方法。通过风洞验证试验,获取了2种不同安装方式栅格舵试验数据差异,验证了洗流修正方法的可行性,为建立面向工程应用的栅格舵高速风洞试验与数据修正技术提供了数据支撑。      

空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性,利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型,并以高超声速流场作为输入,采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大,轴向力系数呈整体下降趋势,而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势;此外,随着攻角的增加,结构最大应力整体呈上升趋势,并在45°攻角附近增幅最大。     

尾翼对民机后体流动特性的影响

在1.5 m低速风洞中采用表面油流、烟线/激光片光显示和部件测力等实验方法对2种民机布局后体的绕流流型和气动特性进行了研究.实验的风速为40 m/s,雷诺数为1.191×105,迎角范围为-10°~20°.实验结果表明:随着迎角由负到正的变化,2种布局模型后体绕流都经历了上分离—无分离—下分离流型的变化,分离流型属开式分离并由尾部起始向机身发展;小迎角下2种布局模型后体阻力的差别主要由尾翼的摩擦阻力引起,而较大迎角下尾翼绕流分离引起的压差阻力起主要作用;垂尾分离随迎角增加而不断减弱,从而导致正常式布局后体阻力随迎角变化表现为非对称.      

基于全通道耦合特征模型的高超飞行器控制研究

建立了"类X-20"高超声速飞行器的动力学模型,针对攻角、侧滑角和滚转角三通道之间的强耦合性,提出了一种同时考虑状态耦合和输入耦合的全通道耦合特征模型,基于此特征模型设计由多输入多输出黄金分割自适应控制律、微分控制律和积分控制律相结合的组合控制器.最后,分别对精确模型和干扰模型进行仿真,验证控制器的跟踪能力及鲁棒性,并与单通道控制器比较,结果表明全通道耦合特征模型控制器在高超声速飞行器姿态控制方面具有明显优越性.     

碟形升力体的低速气动特性研究

为改善升力体的低速气动性能,探讨各种措施对升力体低速气动特性的影响,在风洞中对一个碟形低速升力体半模型进行了实验研究.试验结果表明,采用适当的气动设计与附面层控制相结合,可以明显改善升力体的低速气动性能,其最大升阻比达到18.7,与原来相比提高了86%,而且零升阻力降低56%,大迎角气动特性也有一定的改善.实验中还对2种附面层控制方案进行了对比,给出了相应的试验结果,对其控制机理进行了初步的探讨.实验证明该碟形低速升力体气动性能优秀,并且已经成功进行了模型空中试飞.     

面向总体性能的高速飞行器布局优化

飞行器气动布局的选型和优化技术在总体设计中处于关键地位,在临近空间飞行的飞行器对升阻比和操控性能都提出了更高的要求。翼身组合的升力体外形由于兼顾内部装填以及升阻特性成为了目前高速飞行器主要的设计方向。以一类具有普适性的面对称升力体外形为基础,采用相关性分析手段提取出飞行器的关键几何参数,挖掘出几何参数对所关心的总体性能指标的影响度大小,并建立起基于CFD方法的气动布局优化平台,以总体性能指标为约束,优化出高升阻比外形,通过风洞试验验证了优化设计方法的有效性,为高速飞行器的气动布局工程化设计提供了有效的技术手段。      

超高速飞行器平尾大迎角气动弹性特性研究

临近空间超高速飞行器在飞行过程中受到外部干扰作用时会出现大迎角飞行姿态,此时需大角度偏转全动平尾进行配平,带来平尾大迎角下的气动弹性问题。采用计算流体力学/计算固体力学/计算热力学（CFD/CSD/CTD）耦合方法分析了一种超高速飞行器全动平尾的气动弹性特性,重点研究了大迎角下平尾的气动响应及结构变形特点。结果表明:各迎角时的气动力曲线均出现波动,随时间变化逐渐衰减至平衡位置。迎角越大,初始振幅越大,气动力系数减小的比例越大,但随时间衰减得越快。平尾存在弯曲/扭转耦合现象,结构变形导致表面压力分布发生变化,使得整体压力减小、升力系数降低,迎角越大现象越明显。平尾最大应力在迎角30°时达1.2 GPa,已达到所用镍合金材料的屈服强度极限。应在结构设计时在翼轴与平尾接触部位附近加强,或在控制方案设计时限制全动平尾的工作角度。结构发生轴向与法向变形,轴向变形主要由气动热引起,法向变形由气动力和气动热共同引起。      

类X-20高超声速飞行器反馈线性化控制研究

通过对类X-20高超声速飞行器的气动系数与高度、马赫数、攻角、侧滑角和舵偏角的关系进行分析,对各项气动系数进行了简化和拟合,并将舵偏增量视作控制输入,在此基础上建立了类X-20飞行器仿射非线性形式的控制模型,证明了它是可以输入输出精确线性化的,从而可以设计反馈线性化控制器.最后在存在大气密度、气动力矩系数和转动惯量不确定性情形下,针对原动力学模型进行闭环仿真研究,原动力学模型考虑地球旋转,气动数据直接从类X-20飞行器的气动数据表插值得到.仿真结果表明,所设计的控制律可以实现控制目标,具有较强鲁棒性.