类HTV-2飞行器横侧向稳定设计研究

针对类HTV-2外形飞行器,研究其横侧向控制偏离判据(LCDP)大于0时的气动特性与控制策略设计方法。考虑类HTV-2外形飞行器横向静稳定性易获得的特点,提出一种利用横侧向通道耦合进行气动特性及控制策略设计的方法。分析表明,基于该方法设计气动特性和控制策略可实现LCDP大于0状态下系统的稳定。     

亚轨道飞行器无动力自动着陆的横侧向控制

针对重复使用亚轨道飞行器无动力自动着陆的横侧向控制,偏航通道根据状态反馈和输出反馈理论将“偏航角速度+偏航角”反馈转换成适于工程应用的“偏航角速度+侧向过载”控制方式;滚转通道设计了“滚转角速度+滚转角”控制方式,在此基础上首次推导了BTT控制方式侧偏距回路的稳定性分析原理,并据此理论设计了横侧向回路的控制参数.仿真结果表明所设计的横侧向控制器能够快速消除侧滑角,有效消除侧偏距,并且对平稳风和切变风有较强的鲁棒性.     

高速高机动飞行器的横航向偏离预测判据分析

以提高高速飞行器静稳定设计精度为目标,对横航向小扰动方程解的稳定性进行了讨论,推导出了开环动态偏航稳定判据(CnβDYN)和闭环横向控制偏离判据(LCDP)。进而对翼-体组合体高超声速飞行器做了工程估算,利用所得气动数据对此外形进行了全面的横航向稳定性分析,指出了CnβDYN、LCDP与传统横航向稳定性判据的差异,传统的横航向判据不能计入两者的相互耦合效应,也无法预则进行滚转控制时引发的偏航失稳发散。     

基于滑移网格技术的翼伞动导数分析

翼伞在航天回收领域有着广泛的应用前景,为了提高对翼伞动稳定性认识,文章针对某型号的翼伞进行动导数的分析。基于滑移网格技术,采用计算流体学的方法对翼伞进行了三维数值模拟。重点分析了翼伞做小幅度俯仰、偏航和滚转运动时的动导数,通过改变攻角和减缩频率这两项重要参数,获取了多组力矩系数迟滞曲线,利用时间平均法对非定常气动力数据进行处理,得到了翼伞绕三个坐标轴的阻尼系数。计算结果表明:翼伞在小攻角下做小幅度强迫运动时,在俯仰和滚转方向上阻尼导数为负,翼伞具有俯仰和偏航方向上的动稳定性,在偏航方向阻尼导数为正,翼伞不具有偏航方向的动稳定性;攻角和减缩频率的选取均会影响翼伞阻尼导数的计算结果,其中,攻角的增加不仅能影响迟滞环面积的大小还能影响迟滞环的动态特性,使翼伞的动稳定性发生变化,而减缩频率的改变仅影响迟滞环面积的大小,对偏航方向的动稳定性没有影响。     

高超声速飞行器横侧向气动布局准则研究

主要研究高超声速飞行器副翼控制下的横侧向稳定性问题,针对满足传统稳定性判据的飞行器出现振荡发散的现象,通过对具体的运动过程进行机理分析,给出了反映该现象的预测判据,该判据的优势在于进一步完善了横侧向闭环稳定判据,为气动布局评估和设计提供依据。最后通过具体的特征点例子说明预测判据的有效性。     

直/气复合控制导弹的自抗扰控制系统设计研究

提出了一种直/气复合控制导弹的姿态控制系统设计方法。建立有轨控式直接力装置和空气舵导弹的短周期运动模型,基于自抗扰控制技术分别设计俯仰、偏航和滚转通道的姿态控制器,给出了俯仰、偏航和滚转通道的控制结构。俯仰(偏航)通道中用俯仰(偏航)角速度环实现对俯仰(偏航)角速度指令的快速跟踪;用攻角(侧滑角)环实现对攻角(侧滑角)指令的快速跟踪;用法向(侧向)过载环实现对过载指令的快速跟踪。滚转通道中采用了有角速度环和角度环的双闭环结构,内外环均采用自抗扰控制器。设计了直接力开启逻辑。用Lyapunov法证明了设计的闭环系统的稳定性。对用该方法设计的某直/气复合控制导弹模型进行数值仿真,结果表明可保证设计的导弹姿态稳定且具良好的过载响应特性。     

一种翼身组合体的气动设计及优化

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载。采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法。提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案。本方案在5°攻角时升阻比可达6.5,并给出了飞行器稳定配平的质心布置条件。在纵向稳定配平时,组合体飞行器在偏航及滚转方向均为静/动稳定的。研究表明,本方案可在较小攻角时获得较大升阻比,并具有纵横向稳定性,是高超声速机动的潜在可行方案。     

火箭入轨的大偏航非线性鲁棒自适应控制方法

火箭入轨通常是沿标准轨道面的飞行控制,常规发射任务只需侧向小偏航角校正,但当今一些特殊的入轨任务要求火箭制导控制能侧向大偏航角飞行,以克服较大初始侧向偏差对末级火箭入轨的影响。文中提出了一种末级火箭的侧向大偏航非线性自适应组合制导控制方法,结合土星-5火箭IMG方法和航天飞机LTG方法各自的优点,进行了大偏航角的非线性耦合补偿修正,并对动力飞行过程的迭代算法进行了鲁棒稳定性改造。基于姿态喷嘴开关控制的六自由度数值仿真表明,提出的控制策略和算法简单可靠、稳定性好、精度高,在火箭入轨控制和空间飞行器变轨控制中具有参考和应用价值。     

一种多扰流片装置的推力矢量特性数值研究

针对常规扰流片推力矢量装置无法提供滚转控制力矩的问题,提出了一种适用于多通道控制的多扰流片矢量结构方案。采用三维数值仿真方法,分析了多扰流片装置喷管内流场结构与推力矢量特性。结果表明,扰流片面阻塞率对多扰流片俯仰/偏航矢量的影响规律与单扰流片一致,扰流片面阻塞率与轴向推力成反比,与侧向力成正比。相同扰流片面阻塞率时,俯偏状态下喷管的内部流动复杂损失大,轴向推力小于滚转状态。通过采用带预制偏角的扰流片,可获得滚转控制力矩,同时,偏角增大滚转力矩增大,轴向推力小幅下降;但俯偏状态下喷管内高压旋流区域缩小使得侧向力大幅下降。多扰流片装置的设计需综合考虑装置的滚转与俯仰/偏航特性。     

临近空间非弹道式目标HTV-2跟踪滤波与预报问题

近年来各国均开始重视临近空间高超声速飞行器的发展,其中以X-51A和HTV-2高超声速飞行器飞行试验相继成功为代表。本文概述了目前高超声速飞行器跟踪滤波与预报领域存在的难点问题,然后对坐标系进行了定义,并设计了HTV-2(Hypersonic Technology Vehicle-2)质心运动方程及跟踪滤波器,介绍了HTV-2弹道预估原理,最后使用卡尔曼滤波方法进行了仿真计算,并对相关参数的选取进行了分析。仿真结果得出使用卡尔曼滤波算法跟踪滤波效果较好,对工程应用有一定的借鉴意义。     

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。     

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。     

带辅助安定面平流层飞艇的航向静稳定性分析

为增强平流层飞艇航向静稳定性，在不显著增加飞艇重量前提下，提出一种带辅助安定面的飞艇气动布局。建立飞艇计算模型，数值模拟飞艇在不同侧滑角、俯仰角下航向静稳定性及气动阻力特性，并与未集成辅助安定面的飞艇进行对比，最后分析辅助安定面面积对航向静稳定性的影响。结果表明：带辅助安定面的飞艇气动布局具有较好的航向静稳定性。相同条件下，随着侧滑角增大能够更快地达到航向稳定；在30°侧滑角，辅助安定面与尾翼面积比值大于0.05时，偏航力矩系数由无辅助安定时-0.8增加为正；辅助安定面面积越大，偏航恢复力矩越大，航向静稳定性越好。     

高超声速气动加热关联方法的适应性分析

针对高超声速飞行器热环境预测上有着重要应用的关联方法缺乏构造机制和适应性分析的问题，从驻点热流的Kemp-Riddell公式出发，推导了驻点斯坦顿数和雷诺数之间的经典关联关系，从理论上分析了上述关系的适应性。结果显示斯坦顿数和雷诺数关联关系受马赫数的制约，飞行条件和试验条件马赫数变化范围较大的情况下，更适合采用雷诺数和马赫数的组合变量开展关联分析。当试验来流静焓较低的情况下，过低静焓对热环境的关联特性有不利影响，需要提高试验来流马赫数，远离临界马赫数确保地面数据同飞行条件之间的关联性。在国内4座风洞上开展的风洞试验和DSMC/CFD的数值仿真分析工作，校验了上述结论在连续流区域的正确性。     

探月返回器跳跃式再入过载抑制算法研究

针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力,推导得出了与预测校正制导律相结合的过载抑制算法。最后通过仿真校验了该算法在不影响返回器着陆精度的前提下有效实现了过载抑制,各种偏差情况下的蒙特卡洛仿真也体现了该算法的实用性及鲁棒性。     

设计参数对幂次乘波体纵向静稳定性的影响

为实现幂次乘波体的纵向静稳定设计，对幂次体激波面后流线的“凹凸”特性与设计参数之间的关系进行了研究，并以此为依据，通过数值计算的方法得到了设计参数与幂次乘波体纵向静稳定性之间的关系。结果表明：幂次体激波面后的流线由“内凹”和“外凸”两部分组成；设计参数c越大、n越小、设计Ma越大、前缘点布置的越靠前以及乘波体长度L越长，流线的“外凸”段所占比例越大，由此得到的幂次乘波体纵向也就越稳定；此外，在其他设计参数确定的情形下，前缘线形状的改变并不影响乘波体的纵向静稳定性。     

卷弧翼火箭气动参数数值模拟

由卷弧翼火箭圆锥运动稳定性分析需要,对卷弧翼火箭稳态流场作数值模拟,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟的精度,且计算中得到试验中不易获得的侧向力矩系数。根据翼面压力分布,分析了卷弧翼火箭自诱导滚转力矩和侧向力矩产生的原因。利用强迫滚转法和气动辨识技术计算了火箭的滚转阻尼力矩系数,计算结果和试验结果差别不大。经数值模拟圆锥运动时卷弧翼火箭的非稳态流场认为,圆锥运动对阻力的影响主要是由攻角产生的静态效应。     

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。     

翼型伞气动特性风洞试验研究

文章介绍了在8m×6m低速风洞中对某冲压式翼型伞进行的试验研究。文中给出了有关的技术方法,并对典型的试验结果进行了讨论。这一国内首创的风洞试验技术,可为翼型伞设计提供利用其他试验手段难以得到的翼伞操稳特性气动参数。     

一种面向空天飞机再入的智能自适应复合控制方法

针对空天飞机再入横、侧向通道的姿态控制问题，设计了一种智能神经网络自适应复合控制方法，基于误差反馈学习准则在线更新神经网络权重以补偿全量姿态控制律输出的姿态控制指令。同时，面向再入过程横侧通道的强耦合问题，引入了耦合控制系数，以降低横、侧通道间的控制干扰。此外，提出了一种自适应链式控制分配律，在控制信号中引入正交优化多正弦激励，基于递推最小二乘方法对气动参数进行在线辨识，进而实时更新链式分配策略。最后，对空天飞机再入横侧向通道的神经网络自适应复合控制方法进行数学仿真校验，验证了该方法的有效性和鲁棒性。