终端区多机协同进场下的飞机性能参数优化方法

为了降低多条航路上下降至同一航路点的多架飞机最后巡航阶段和下降阶段的运行总成本,同时要确保飞机的飞行安全,研究了多架飞机下降至同一航路点时降低总运行成本的参数优化方法。首先,介绍了飞机性能参数计算方法;其次,为了提高寻找飞至同一航路点各架飞机使得总运行成本最低的合适指示空速的计算速度,建立了考虑间隔约束的参数优化模型,并通过精英保留的遗传算法进行优化运算;最后,用某型民用飞机对建立的模型进行算例仿真。结果表明,该模型能准确计算出各架飞机使总运行成本最低的指示空速,对航空公司处理多架飞机下降至同一航路点降低总运行成本有较大的指导意义。     

基于环境影响的飞机进场性能参数优化

为了在满足空中交通管理具体运行的限制下降低民航飞机进场过程中发动机排放对环境造成的影响,研究了飞行参数优化问题。首先根据进场飞行轨迹特点构建了飞机进场模型;然后综合考虑油耗、发动机排放对环境的影响以及飞行过程实现的便捷性构建了优化目标;最后基于多目标遗传算法建立了优化求解模型。以空客A321飞机为例分析了速度变化对优化目标的影响,并进行了优化仿真试验。仿真结果表明,飞行参数优化结果主要受空管运行的最大约束时间限制,所提优化方法能够有效降低进场过程对环境的影响。     

多航路点协同约束下的飞机性能参数优化

针对多航路点协同约束下飞行轨迹预测中飞机性能参数优化问题,依据飞机进场剖面构建了飞机进场轨迹,并提出了飞机进场航路点协同约束合理性的验证方法。创建了两种多目标适应度函数并进行对比、选择,在简化问题复杂性的同时保证了优化模型运行的稳定性,并基于多目标遗传算法建立了优化求解模型。仿真结果表明,该优化模型能对具有多个航路点协同约束下的节油飞机性能参数进行有效求解,使用非线性适应度函数较线性适应度函数综合稳定性提升了161. 67%,所提出的RTA约束窗口大小设置方法对空管实际运行有指导意义。     

基于Fibonacci搜索方法的航空发动机性能寻优

介绍了Fibonacci搜索方法应用于发动机性能优化中的原理,建立带两个出口面积、气流马赫数可变的引射器的涡喷发动机的总体性能计算模型,应用Fibonacci搜索方法在优化参数区间内对该发动机进行了最大推力、最低油耗、最低涡轮前温度模式的寻优.举例说明了Fibonacci搜索方法应用的具体过程.给出了不同高度、马赫数下的寻优结果.结果表明:最优目标性能满足的约束边界与飞行高度、马赫数密切相关.不同的飞行高度、马赫数对应了不同的最优控制策略.但不论飞行任务如何,根据该方法进行的优化控制所获得的目标性能是最佳的.该优化方法不仅适用于该类涡喷发动机,也为其他类型航空发动机的优化控制打下一定的基础.      

自行判断神经网络的约束态小型导弹控制

本文描述的研究是一种自行判断的控制器，而该控制器操控一个处于最小飞行马赫数的约束状态的小型导弹，约束态就是用最少的时间使导弹从各种初始马赫数达到一个指定的最终的马赫数，且飞行路径角度完全相反，这类边际化状态空间、自由最终时间问题是非常难解决的，原因是处于约束边界状态的共同状态是不连续的，文中我们用一个双神经网络结构即所谓“自行判断”去执行该优化过程，该结构通过Hamiltonian公式求解相关的控制方程得出一个优化控制器，本文提供了关于约束边界状态下的方程和状态的详细过程，对于数据处理，采用了垂直平面方法。飞行马赫数和飞行路径角度作为状态。气动攻角作为控制对象，数据结果显示出自行判断处理有良好的性能，且表示这个公式非常适用于末端状态的制导，而该最后状态是源自于初始条件范围的约束优化问题。     

基于约束预测控制的飞行失控包线保护研究

风切变等大气扰动现象严重威胁飞机起降飞行安全。在受到随机风切变干扰下,离线设计的最优控制器无法保证飞行状态始终处在正常包线内。在大型民机线性变参数模型的基础上,从预防飞行失控的角度研究风切变下飞机进场着陆的预测控制方法。将飞行失控包线量化为状态约束,在此基础上设计在线模型预测控制器。仿真结果表明,利用预测控制的滚动优化策略,可使飞机在进场下滑阶段遭遇风切变时进行良好的下滑道捕获和跟踪,且将飞机状态始终约束在安全包线内。     

基于遗传算法的分段多参气动阻力研究

针对BADA模型未考虑马赫数、仅基于升力系数求得的阻力系数与真实值存在较大误差的问题,考虑到飞机以较大马赫数飞行时气流压缩效应会改变阻力特性,提出了一种基于遗传算法的临界马赫数分段多参数数据拟合方法,建立了更为精确的阻力系数数学模型。以B737-800民机为算例的计算结果表明:该模型计算的阻力系数与真实值的平均相对误差小于5%,与经典BADA模型相比,平均相对误差下降了15.63%,均方根误差下降了0.384%,拟合优度提升了0.344;所提优化方法提高了阻力计算的精确度,可提高ATM飞行仿真的准确性。     

多飞行器再入段时间协同弹道规划方法

提出了一种多飞行器再入段时间协同弹道规划方法。首先,在纵向平面内规划满足航程与终端约束的纵向标称轨迹。随后,在采用轨迹跟踪律跟踪纵向标称轨迹的同时,运用考虑初始横侧向状态的多边界航向偏差角走廊策略控制飞行器的横侧向机动,以满足到达时间约束与终端约束,进而实现单枚飞行器到达时间约束下的轨迹规划。在此基础上,完成了飞行器的到达时间分布与飞行能力分析,给出了最小与最大到达时间的分析计算方法,并根据多飞行器协同再入的任务需求完成了协同飞行时间决策。最后,多飞行器协同再入与扰动条件下的仿真结果表明,该方法能够规划出满足到达时间与终端约束的协同再入轨迹,具备良好的计算精度与鲁棒性。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

应用轨迹优化策略的直升机任务科目基元仿真

任务科目基元的飞行试验是ADS-33E-PRF对直升机飞行品质的判定标准。针对直升机设计过程中飞行品质难以事先评定的特点,提出了一种基于轨迹优化策略的直升机任务科目基元数值仿真方法。该方法将飞行品质规范对直升机位置、姿态和速度的限制处理为状态量的边界约束,以完成任务科目基元的时间为目标函数,结合直升机自身的性能和安全性约束,建立了针对任务科目基元的直升机轨迹优化模型。求解该模型得到直升机完成相应任务科目基元所用的时间,便可定性判断直升机飞行品质是否满足ADS-33E-PRF对这一任务科目基元的要求,从而在设计之初对优化直升机总体设计参数提供参考。对某型直升机悬停转弯机动科目进行仿真计算,验证了该方法的正确性和有效性。     

建筑尾迹中直升机进场着陆策略研究

城区环境中的建筑尾迹对直升机的安全起降有很大的影响,为研究建筑尾迹中安全进场着陆策略,提出了一种基于飞行员工作负荷的飞行安全评估方法。以某型直升机为研究对象,建立耦合建筑尾迹流场的飞行动力学模型,进行人在环飞行仿真,并基于Cooper-Harper评级体系建立了飞行员工作负荷评估模型。采用该评估模型对直升机城区建筑尾迹中,不同进场着陆方式的最优化飞行操纵进行评估。结果表明:直升机平衡计算与试飞数据吻合良好,验证了飞行动力学模型的准确性;采取迎风的进场方式,可有效减小飞行员工作负荷,为提高进场着陆的安全性,采用45°~60°方位进场较合适。     

低温风洞运行压比相关性研究及应用

低温风洞流场参数快速精确控制需要建立驱动风扇功率与马赫数、雷诺数、压力和温度等运行参数间准确动态传递模型.以0.3?m低温风洞初步运行压比和状态参数测试数据为对象,归纳分析发现风洞运行压比与试验马赫数平方成近似线性关系,且相同马赫数下测试数据点分布与雷诺数成有序关系,基于该特性成功构造马赫数和雷诺数组合幂函数,并建立风洞运行压比与组合幂函数的线性关联式.结果表明在马赫数小于1.0和宽广雷诺数变化范围下该动态模型与测试数据具有良好的一致性.同时,利用空气动力学方程式也推导验证了该动态模型的理论正确性.该动态模型的建立使得风洞运行液氮需求和压缩机功率以相对简单的方式与试验状态相关联,将其应用于风洞前馈控制,必将简化风洞控制流程,缩短每个数据点的稳定时间,节约液氮消耗量.     

低温风洞运行压比相关性研究及应用

低温风洞流场参数快速精确控制需要建立驱动风扇功率与马赫数、雷诺数、压力和温度等运行参数间准确动态传递模型.以0.3?m低温风洞初步运行压比和状态参数测试数据为对象,归纳分析发现风洞运行压比与试验马赫数平方成近似线性关系,且相同马赫数下测试数据点分布与雷诺数成有序关系,基于该特性成功构造马赫数和雷诺数组合幂函数,并建立风洞运行压比与组合幂函数的线性关联式.结果表明在马赫数小于1.0和宽广雷诺数变化范围下该动态模型与测试数据具有良好的一致性.同时,利用空气动力学方程式也推导验证了该动态模型的理论正确性.该动态模型的建立使得风洞运行液氮需求和压缩机功率以相对简单的方式与试验状态相关联,将其应用于风洞前馈控制,必将简化风洞控制流程,缩短每个数据点的稳定时间,节约液氮消耗量.     

超燃冲压发动机可调尾喷管多目标优化设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律.以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线.仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程.     

航空发动机推力直接测量飞行试验

建立了基于推力直接测量原理的发动机总推力计算模型,合理忽略了某些次要力简化了计算模型。在推力销上加装剪力应变桥路,建立载荷标定方程和温度修正方程获取发动机安装节推力;利用进气道测量耙测试参数,计算飞行中进气道冲压阻力和压差阻力。在某型飞机上开展了推力直接测量飞行试验,获得了某小涵道比涡扇发动机飞行总推力,并分析了空中平飞加速过程总推力和各推(阻)变化规律。结果表明:飞行马赫数处在约0.98~1.02时,总推力随飞行马赫数增大而急剧增大;高度为8km、飞行马赫数为1.42时发动机最大状态总推力相对值为123.78%,高度为11km、飞行马赫数为1.69时总推力相对值为119.70%,均高于相同状态地面台架推力值。通过分析进气道压差阻力百分比,验证了发动机空中总推力测量结果具有较高的准确性以及推力直接测量技术的可行性。     

弹道导弹飞行时间的BP神经网络控制方法

时间协同攻击是提高弹道导弹突防能力和作战效能的一种重要手段。由于发动机推力偏差等干扰因素造成导弹的飞行时间偏差较大,为精确控制弹道导弹的飞行时间,运用BP神经网络算法,建立了一种适用于较大飞行时间偏差修正的飞行时间调控模型。该模型用视加速度偏差表征推力偏差等干扰的影响,根据视加速度偏差调整导弹飞行中某一时段的程序角来实现对飞行时间的精确控制。由BP神经网络建立满足飞行时间偏差要求下视加速度与飞行程序角速率、转弯结束时间之间的映射关系。导弹实际飞行时,根据实际视加速度,由BP神经网络在线计算出飞行程序角速率及转弯结束时间,使导弹在干扰条件下仍以预定飞行时间到达目标。最后,通过仿真验证了该模型的有效性和可行性。     

民机总体设计参数选择与多目标优化

基于优化算法需要和民机设计的特点提出了参数选择的新思路。为避免抖振和飞行品质问题明确了巡航飞行马赫数、最大运行马赫数和阻力发散马赫数的相互关系;数值分析表明,使用翼根相对厚度作为参数的机翼重量公式更为合理,对改善分析精度有利。以A320为算例,采用多目标粒子群算法优化得到的优化解与原机型的设计指标和参数接近,避免了以往出现的问题,从而证明参数选择的优越性。     

空射弹道导弹助推段弹道设计与优化

在弹道优化设计研究中,针对空射弹道导弹弹道优化两点边值问题解析求解困难且对参数敏感的问题,基于将过程优化问题转化为参数优化问题的思想,采用了飞行程序角设计的参数优化方法。根据空射弹道导弹亚声速水平发射的特点,首先基于动力特性设计了其助推段飞行程序角模型,确定了恰当的控制变量参数化结构,在满足飞行过程的多种约束条件下,建立了弹道优化模型,引入序列二次规划法对其进行优化计算,从而实现了对确定优化目标的轨迹快速生成。仿真结果表明,弹道优化计算时间缩短,收敛速度明显提高,可在原有设计基础上,提升优化指标16%,验证了该方法的有效性。     

基于时间约束集的多弹道式飞行器避撞发射时间规划

提出了通过调整发射时间解决多弹道式飞行器飞行避撞问题的算法框架,在该框架内针对多弹道式飞行器协同打击时是否发生飞行碰撞提出了检验算法,对于飞行器碰撞规避问题建立发射时间约束集模型,约束集由飞行器间发生碰撞的发射时间间隔约束构成。在该时间约束集的基础上建立以多弹道式飞行器同时打击为优化目标、含有不等于号表达式时间约束的优化问题,并通过"Big-M"法将该问题转化为非线性规划问题的标准形式,再利用序列二次规划(SQP)算法进行求解。该框架将发射时间调整问题转化为最优化规划问题,降低了传统遍历性发射时间调整算法的计算复杂度。基于MATLAB平台环境对所提模型及规划算法进行了仿真,验证了所提算法的合理性与有效性,同时具有较高的计算效率。     

基于飞/发一体化的Ma=8~10飞行器任务性能快速评估与分析

针对典型飞行马赫数Ma=8~10高超声速飞行器/超燃冲发动机一体化构型,建立了飞/发性能一体化模型,可以快速评估飞行器气动力、发动机性能和飞行任务性能。对比了在起始推重比为0.3、0.4、0.5和0.6下的飞行器飞行性能,以燃料消耗最小为目标,基于飞/发性能一体化模型,利用MATLAB优化工具箱中的序列二次规划（SQP）算法,得到了该飞行器的最优起始推重比为0.422。给出了Ma=8~10飞行器/发动机的概念方案总体参数,在载荷质量为1 000 kg下,飞行器总质量为5 943 kg,发动机推力为2 505 daN。该飞行器在攻角范围为4.1°~3.8°下总的飞行时间为489 s,飞行距离为1 360 km。