返回舱弹道重建与黑障区弹道再现研究

对于飞船返回舱，黑障区弹道再现是再人飞行试验气动分析工作的重要环节。利用舱上测量数据和有限的雷达测量数据重构飞行弹道，是黑障区弹道再现的有效方法。本文建立了返回舱弹道重建的数学模型，包括运动学模型、观测模型、测量误差模型，从而将返回舱弹道重建问题转化为一个非线性动态系统的参数辨识问题。给出了基于极大似然判据和Newton-Raphson迭代的弹道重建算法。对某飞船返回舱的飞行试验数据进行了计算和分析，结果证实了弹道重建数学模型的正确性和算法的可行性。通过弹道重建，不仅再现了黑障区的弹道，而且提供了可靠的、完整的弹道数据。     

某型飞行器气动参数辨识与弹道仿真

以某型飞行器为例,运用气动参数建模分析的手段,建立典型空气动力学模型。将传统的模型辨识方法与现代计算机技术相结合,对气动力辨识输入参数进行了分析,采用迭代算法得出辨识参数,并对观测量和物理几何参数误差影响辨识精度进行了分析,选用某型飞行器现有试验测量数据作为输入量,进行气动参数辨识,将辨识得到的气动参数进行了仿真验证。利用辨识得到的气动参数仿真计算的弹道与试验结果吻合度较高,说明气动参数辨识可行。     

导弹滚动气动系数校验

在导弹研制过程中，飞行控制系统设计是基于计算得到的导弹气动参数作出的，为了提高其计算准确性，提出了一种利用飞行试验数据校验导弹滚动气动系数的方法，为此，首先建立了辨识所需的导弹滚动运动数学模型，然后提出了利用飞行试验数据对导弹滚动气动系数进行辨识计算的方法，由外干扰元法测量，而且是导弹滚动运动的重要驱动因素，因而也被作为一个未知参数的加以辨识，最后给了利用辨识结果校验滚动气动系数的方法。     

飞行器气动参数的集员辨识

在噪声未知但有界的情况下，本文研究了飞行器气动参数的集员辨识问题。提出了先对非线性系统参数可行集的中心进行估计，再估计参数可行集大小的集员辨识两步法。这样就为解决飞行器气动参数的辨识问题提供了一种新的可行方法，再入体实测数据的处理表明这种方法十分有效。     

单台光学设备跟踪再入目标的外弹道计算方法

利用单台光学设备测量再入目标的俯仰角及方位角,确定再入目标的外弹道参数。根据再入目标的动力学方程及单台光学设备的测量方程得到再入目标的运动方程组,根据单台光学设备测量再入目标的观测角度序列,采用最小优化方法联合求解该方程组,可以估计再入目标的气动参数及再入目标的外弹道参数。数值仿真验证显示,该方法能够比较准确估计再入目标的气动参数,同时得到再入目标的外弹道参数。     

地空导弹气动外形/总体参数一体化优化设计

地空导弹气动外形／总体参数一体化优化设计是导弹总体设计中的重要组成部分，本文选取导弹的发射重量和导弹在遭遇点处的可用过载为优化设计的评价指标，各项战术技术要求为优化设计的约束条件，利用外点罚函数法建立优化设计的综合目标函数，选取若干对导弹总体性能影响较大的导弹总体／气动外形参数为优化设计的设计变量，采用理论弹道计算用数学模型和气动力系数的半经验工程算法，建立优化设计的数学模型，寻优方法要用直接地优     

导弹气动参数辨识与优化输入设计

导弹气动参数的可辨识性和辨识准度很大程度上取决于控制输入设计。首先阐述了导弹气动参数辨识的最大似然方法,在此基础上发展了一种控制输入的优化设计方法,目标函数取为参数估计的不确定椭球体积,最优解搜索采用粒子群优化算法。最后,给出一个样例导弹的优化输入设计和飞行试验气动参数辨识结果。计算分析结果表明,所发展的优化输入设计方法是有效的,辨识获得的气动参数可信度较高。     

模糊聚类辨识在导弹自动驾驶仪横滚通道设计中的应用

在建立模糊逻辑系统的一般数学模型后，利用聚类方法推导出了模糊聚类辨识算法，从而使被辨识出的某型规导弹横滚通道时变气动参数c1、c3能够较准确的反映出在具有某些典型特征飞行条件下与导弹在飞行过程中各个主要特征参数之间的非线性关系。然后在此基础上设计了横滚通道自动驾驶仪。     

固体发动机内弹道计算不确定性研究

建立了固体发动机一维混合内弹道计算模型,提出了提高内弹道预估精度的工程方法.采用系统辨识法建立燃速模型、计算药柱初温分布和预估药柱真实燃面,建立了内弹道性能散布分析方法.算例应用研究表明,燃速模型参数不确定性是影响发动机内弹道计算精度的主要因素,除燃速模型参数外,对总冲变化的显著影响因子依次是燃气比热容比、推力系数因子、特征速度因子和药柱密度,对工作时间变化的显著影响因子依次是特征速度因子、药柱初温和药柱密度.     

基于自适应遗传算法的飞行器气动参数辨识

为了克服传统辨识算法的缺点，把自适应遗传算法作为辨识算法，进行飞行器的非线性气动参数的最大似然仿真辨识。在仿真辨识中，加入了零均值高斯分布的随机观测噪声。辨识结果比较满意，表明白适应遗传算法具有良好的优化性能，是进行气动参数辨识的一种实用的辨识算法。     

太阳能飞行器能源昼夜闭环仿真分析

以能量为核心，建立太阳能飞行器的获能模型；通过对太阳能飞行器飞行剖面特点的分析，设计飞行过程中各个阶段的飞行方案，并建立相应的耗能模型；考虑目前储能电池技术水平，根据产能和耗能模型，建立储能模型，完成了能源闭环模型的设计；参照Zephyr 7太阳能无人机的结构参数对论文建立的模型进行了仿真分析，获取了飞行过程中能量变化规律，同时对飞行姿态进行优化。结果表明：通过对太阳能飞行器昼夜飞行高度的不同设置以及飞行姿态角的优化，太阳能飞行器可以实现跨昼夜持久飞行。     

一种亚轨道飞行器再入段组合导航方法

针对亚轨道飞行器再入飞行段的环境特性,设计了由INS、GPS、CNS组成的容错型 组合导航系统,该系统能根据不同飞行阶段选择相应的传感器组合方案,将处于运行状态 且无故障的子系统信息自动地实现最优融合。仿真结果表明,所设计系统具有良好的容错性 ,并达到了较高的导航精度。
     

亚轨道飞行器的固液火箭发动机的高维多目标设计优化

为完成应用在亚轨道飞行器上的固液火箭发动机系统设计优化,且考虑到系统设计优化问题的复杂性以及采用单目标优化难以获得全局最优解,建立了固液火箭发动机系统设计的4目标设计优化模型,采用非支配排序遗传算法获得超空间Pareto 解集。利用基于变偏好区间的超径向可视化技术对超空间Pareto解集进行直观地分析,提高最优解选择的效率。最终获得了全局最优的固液火箭发动机系统设计方案,验证了建立的优化模型的准确性和相比于单目标优化的优势,论证了固液火箭发动机应用在亚轨道飞行器上切实可行以及变偏好区间超径向可视化技术处理超空间Pareto解集的高效性。     

发动机喷流对飞行器底部流动影响数值模拟

针对发动机燃气喷流对底部流动的影响开展研究。建立冷喷与热喷计算方法,与经典的高压空气尾喷管喷流试验数据进行了对比,验证了本文建立的三维喷流方法的可靠性。对本文选用的飞行器外形采用冷喷与热喷方法开展了对比计算并与飞行试验值进行比较,分析了两种方法结果的差异。采用热喷方法对来流马赫数 2.5 ,不同飞行高度及喷管进口总压开展计算,研究飞行高度及喷管进口总压对发动机喷流及底部流场的影响。结果表明,保持飞行高度、来流马赫数不变,喷管进口总压增加,底部压力系数逐渐提高。燃气质量浓度最大值位于底部空腔的壁面处,且保持一个恒定值。保持喷管进口总压、来流马赫数不变,飞行高度增加,喷流高速区向后移动且中心区最大马赫数增加。在一定飞行高度下,底部压力系数由负转正,即飞行器底部会出现正推力,这对飞行器的射程会产生重要影响,需要提前评估。     

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。     

运载火箭连接强度有限元分析研究（英文）

The strength of the connection structure has always been a key issue in the structural design of a launch vehicle. In this paper, the finite element analysis method is used for the strength of typical connection structures of a new launch vehicle. The research scope includes the inter-stage connection structure and the bundle connection structure. Aiming at establishing the strength of these two connection structures under flight conditions, we built a refined finite element model, simulated the bolt tensile test and obtained a calculation criteria, and carried out finite element analysis of the connection structures under flight conditions. As a result, we not only established the analysis and evaluation method of the connection structures based on the refined finite element modeling analysis, but also provided a fast numerical simulation design method for the development of the launch vehicle's connection structures, which greatly improved the design efficiency and reduced the design risk.     

变化风场下近空间飞行器机体/发动机一体化飞行力学建模与分析

近空间飞行器飞行包络大、环境变化复杂、参数变化激烈,对其开展飞行控制技术研究工作的首要问题是对此复杂系统基本物理规律准确把握和描述,并依此建立其机理运动模型。针对机体/发动机一体化设计的近空间飞行器,系统地进行了飞行力学分析,并推导了变化风场下近空间飞行器在高超声速条件下的完整的6-自由度12-状态的动力学方程和运动学方程,体现出变化风场的影响和推力矢量的作用。随后,对其在不同条件下的开环控制特性进行了仿真研究,直观表现了系统的快时变、强耦合、强非线性和不确定性等特点。所得结果可用于未来高超声速飞行器轨迹管理、飞行控制等问题的概念设计和仿真研究。     

飞行器固体火箭助推器设计优化方法比较

综合考虑飞行器总体设计约束、轨道设计、气动特性与固体火箭助推器设计间相互影响的情况下,建立了飞行器固体火箭助推器总体/气动/轨道/动力多学科的系统分析模型和设计优化模型。采用传统设计优化方法和多学科设计优化(MDO)方法进行了固体火箭助推器设计优化。结果表明,固体推进单学科的最优设计不等价于飞行器总体多学科的最优设计;与传统设计优化方法相比,MDO方法一次设计优化就可得到满足飞行器总体设计指标的最优设计,得到内外弹道相匹配的助推器最优推力-时间曲线。传统设计优化方法需要飞行器总体和固体推进学科两个设计优化过程不断迭代协调,容易漏掉满足飞行器总体设计指标的最优设计。采用MDO方法,可提高固体火箭助推器的设计质量,大大减少设计迭代次数,从而缩短设计周期。     

Research on hypersonic aircraft using pre-cooled turbojet engines

Systems analysis of a Mach 5 class hypersonic aircraft is performed. The aircraft can fly across the Pacific Ocean in 2 h. A multidisciplinary optimization program for aerodynamics, structure, propulsion, and trajectory is used in the analysis. The result of each element model is improved using higher accuracy analysis tools. The aerodynamic performance of the hypersonic aircraft is examined through hypersonic wind tunnel tests. A thermal management system based on the data of the wind tunnel tests is proposed. A pre-cooled turbojet engine is adopted as the propulsion system for the hypersonic aircraft. The engine can be operated continuously from take-off to Mach 5. This engine uses a pre-cooling cycle using cryogenic liquid hydrogen. The high temperature inlet air of hypersonic flight would be cooled by the same liquid hydrogen used as fuel. The engine is tested under sea level static conditions. The engine is installed on a flight test vehicle. Both liquid hydrogen fuel and gaseous hydrogen fuel are supplied to the engine from a tank and cylinders installed within the vehicle. The designed operation of major components of the engine is confirmed. A large amount of liquid hydrogen is supplied to the pre-cooler in order to make its performance sufficient for Mach 5 flight. Thus, fuel rich combustion is adopted at the afterburner. The experiments are carried out under the conditions that the engine is mounted upon an experimental airframe with both set up either horizontally or vertically. As a result, the operating procedure of the pre-cooled turbojet engine is demonstrated.