高空系留气球建模与稳定性分析

平流层高空系留气球是典型的无控制欠阻尼自治系统,因此平台本身应当具有较好的稳定性,然而该系统的线性化模型含有零特征根,导致经典的Lyapunov第一方法难以从理论上获得其稳定性结论.从一般刚体的Newton-Euler方程出发,根据刚体对任一点的平动和转动方程,建立基于广义坐标的高空系留气球二阶非线性动力学模型,并针对Lyapunov方法证明稳定性的局限性,从能量的角度运用拉格朗日定理证明了高空系留气球的稳定性,数值仿真结果与理论结果一致.     

系留气球时域响应分析

为研究系留气球稳定性,建立了系留气球的三维非线性动力学模型.缆绳采用有限差分法,球体采用经典的六自由度方程,其中气动力导数以静导数、动导数和附加质量表示.以主节点运动为边界条件,以静态构型为初始条件,建立完整耦合动力学方程.利用直接求解非线性偏微分方程的方法对该系统进行时域响应分析,考察了风速对纵向和横侧向稳定性的影响,并给出相应的响应曲线.直接求解非线性耦合方程的成功,表明该数学模型及其解法是可行的.      

高空气球热力学模型与上升过程仿真分析

基于对高空气球热力学环境的分析,建立了热力学与动力学耦合的高空气球动力学模型;并采用该模型对某高空气球的上升与驻留过程进行仿真分析.结果表明:高空气球上升过程中内部氦气存在"超冷"现象,其中平流层区域"超冷"明显,氦气平均温差为-19 K;由于"超冷",其上升速度曲线呈双"V"形变化;强太阳辐射与弱对流环境使驻留过程中氦气呈现"超热"现象,平衡时氦气平均温度比环境温度高39 K,球内氦气超压648.8 Pa.数值仿真的速度、平均温度变化规律与相关飞行试验数据相吻合,说明该仿真模型是有效的.      

双系缆气球绳网系统的建模、配平及稳定性

为研究一种双系缆气球绳网系统的气球、绳网的设计问题和系统抗风能力的评估问题,建立了考虑风影响的双系缆气球绳网系统的数学模型,其中包括在体轴系下建立的气球的数学模型、根据无限细化理论建立的系缆的数学模型和按照一定的简化假设建立的绳网的数学模型;在配平状态下引入小扰动假设,使非线性方程组线化,并分析了该系统对阶跃风扰动的响应和稳定性.仿真计算结果表明该系统的设计合理并具有一定的抗风能力.      

自动空中加油阶段加油机尾涡流场建模与仿真

针对自动空中加油技术对于加油机尾涡精确建模的需要,通过分析大型加油机机翼尾涡形成机理和运动规律,运用改进的马蹄涡理论方法建立了较精确的考虑尾涡衰减和扩散特性的尾涡空间流场计算模型,之后将此流场模型在受油机质心处线性化,并采用平均化的方法计算得到受油机受到的平均风分量和风梯度值,在分析受油机受扰运动中利用气动等效的方法将尾涡对受油机的影响模型加入到受油机非线性全量方程中.在此基础上利用Matlab/Simulink搭建仿真平台对空中加油阶段受油机扰动运动进行了仿真验证.仿真结果表明,所建立的尾涡模型能够反映受油机受扰后的动态特性,与有人机飞行员的飞行经验相符,该模型还可用于大型飞机起飞飞行安全和近距编队飞行的扰动分析.     

盘旋跟踪地面目标小型无人机控制系统设计

针对一种大展弦比、V形尾翼常规布局小型无人机盘旋跟踪地面目标飞行的飞行控制策略进行了研究.采用了一种单轴光电探测系统修正视场纵向误差,无人机航向控制修正视场横向误差的控制方法.设计了一种自适应PID(Proportion Integration Differention)控制器,并通过对无人机六自由度非线性运动模型的建模分析,进行了控制律的仿真验证,并将算法融合在盘旋跟踪飞行实验中.仿真及实际飞行实验结果表明:该控制系统在突风等大扰动的影响下获得了良好的动态性能指标,并有效地抑制了飞机姿态通道对视轴通道的耦合影响,满足了飞行任务的需求.     

美国意大利共同研制系留卫星系统

自空间时代开始以来,尽管向近地空间发射了数以千计的各种卫星,但能在110公里高度飞行的只有美航宇局的一颗“探险者”号卫星。而25年来,人们只在110公里高度以上研究近地空间环境,而一百公里左右以下的空间,由于探空火箭飞行时间短暂,不能详观近地空间环境。为此,日本在七十年代拟定的一颗研制近地空间的科学卫星计划也未能实现。系留卫星系统是美国和意大利空间部门倡议的,已邀请研究人员对它初期的三次飞行提出意见。第一次飞行计划要求在极高度气球下面向上19.2公里投放一个仪器容器,     

美国完成了远程反舰导弹的系留飞行试验

最近,洛马公司在加利福尼亚州的穆古角海上试验场完成了远程反舰导弹(LRASM)的一系列系留飞行试验,为今年晚些时候进行该导弹的投放和自由飞行试验铺平了道路。这些试验使用的平台是来自美国空军第337试验与鉴定中队的一架B-1B轰炸机,导弹被挂在该机的内埋弹舱中。试验目标是搜集遥测数据用于飞行之后的分析,验证合适的控制室遥测显示,以及模拟此后的空中发射试验中将要发生的全部测试活动。试验结果满足了所有的预期目标。     

双轴卫星天线扰动特性建模、仿真及试验

卫星天线微振动是影响卫星姿态控制精度的重要因素,卫星天线扰动建模的目的是掌握其扰动规律,进而采取相应的控制方法和隔离技术.综合考虑卫星天线扰动源步进电机的扰动力以及天线结构固有模态对星体的扰动影响,建立了卫星天线机构机电一体系统对星体扰动力的数学模型.通过仿真计算,设计试验测试卫星天线扰动力,比较仿真结果和试验结果,对所建模型进行验证.比较结果表明:建立的天线扰动模型准确可靠,对卫星指向控制精度和稳定性的影响提供了借鉴和参考.      

基于飞行角度优化的蚁群改进算法

针对无人飞行器路径规划问题,实现了排序蚁群算法,并在此基础上,引入了针对无人飞行器飞行特征的飞行角度优化策略,并建立了转移概率的更新原则。模拟飞行环境建立栅格化地图,进行仿真验证,输出无人飞行器的最优路径,验证最优解的质量和算法的收敛速度,结果表明,该方法能有效消除飞行过程中的尖角和折返现象,更加符合无人飞行器的飞行特征。与传统的方法相比,算法的收敛速度和最优解的质量均得到了提升。     

末端制导飞行轨迹的仿真与试飞

提出了战斗机完成制导装置末端制导阶段飞行轨迹的仿真和试飞方法.末端制导阶段的飞行轨迹要求进入段尽可能减小高度损失,并在俯冲段满足精确的轨迹跟踪.采用6自由度全量非线性方程,考虑纵向和横航向运动的相互耦合关系,通过对飞机的高速度、大俯冲角、大落差飞行全过程进行仿真研究,分析了3种利用滚转操纵进入俯冲的情况,获得了满足高精度飞行轨迹的操纵方案,即在进入段,先操纵副翼使滚转角接近180°,拉杆使俯冲角满足轨迹要求后,再反向操纵副翼使飞机正飞进入俯冲.通过飞行试验验证了方案的合理性和有效性.研究表明:该方法在保证飞行安全的前提下,提高了飞行轨迹精度和试飞效率.     

Experimental and numerical simulation of super-pressure balloon apex section: Mechanical behavior in realistic flight conditions

In order to predict the flight parameters and to improve the life time of long duration super-pressure balloon, a research program on modelization and experimental simulation of the balloon envelope mechanical behavior is carried out.The balloon is a 10 m diameter type made with multilayer polymeric films and tapes. A facility was developed to measure, via a stereo-correlation system, the 3D displacement and the in plane solicitation strain of a 1.5 m diameter balloon envelope part in realistic flight conditions, i.e. pressure, temperature and loading at the sample boundaries. A time dependant non-linear Maxwell model of the polymeric material behavior was identified from uniaxial creep and relaxation tests and implemented in a Finite Elements code, simulating the sample tested in the facility. The Poisson ratio of the transparent and supple balloon film has been measured with an image correlation system.Experimental results are obtained both at room and in cold conditions (−60 °C) for various values of differential pressure.Vertical displacement and in plane 2D strain of apex part deduced from the numerical modeling are compared to experimental results.     

Technology development for a long duration,mid-cloud level Venus balloon

This paper describes the results of ongoing technology development activities for a Venus spherical superpressure balloon capable of flying for long durations (30 days) in the middle cloud layer at an altitude of 55.5 km. Data is presented from a successful aerial deployment and inflation flight experiment on a 5.5 m diameter prototype balloon conducted at a 2.5 km altitude above the Earth. Although the balloon in that test was not released for free flight, all other steps in the deployment and inflation process were successfully executed. Experimental and computational results are also presented from an investigation of the stress concentration phenomenon at the junction of the metal end fitting and fabric end cap of the prototype Venus balloon. Good agreement was found between the simulation and experimental results and a stress concentration factor of 1.55 determined for this end cap design compared to the expectations of thin membrane theory. Finally, results are presented for a new, second-generation Venus balloon material utilizing Aclar™ film instead of Teflon. Optical property and sulfuric acid tolerance data are presented for this material based on laboratory testing of samples.     

直升机前飞吊挂飞行动力学响应分析

建立了带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中旋翼诱导速度场计算采用了广义动态入流理论模型并添加了畸变项,用以考虑从加速过程的尾迹畸变和附加非定常效应;旋翼气动载荷模型采用了翼型大角度范围插值技术,并结合经典薄翼型理论建立综合的非定常气动载荷模型.还建立了六自由度吊挂载荷模型,其中吊索采用了柔性钢索模型,计入了吊挂模型的气动阻力.通过仿真计算分析了吊挂前飞状态下总距阶跃操纵输入以及前推杆阶跃操纵输入时直升机及吊挂动力学响应历程.     

基于模糊逻辑的预测再入制导方法

在研究再入飞行器预测制导基础上,针对实时性要求,提出了一种基于模糊逻辑系统的模糊预测制导方法.首先研究分析了再入飞行器落点纵程与飞行高度、弹道倾角三者之间的联系;设计了以再入飞行器落点偏差和飞行高度为输入,弹道倾角角速度为输出的模糊逻辑系统;并在此基础上根据专家经验制定模糊规则,设计模糊预测制导算法.该方法避免了一般预测制导在形成弹道倾角修正指令时所需要的大量迭代运算,有效减小了预测制导指令的解算时间,为再入飞行器在再入过程中全程使用预测制导提供了可能.仿真结果表明:该方法实时性好,落点精度高,抗干扰能力强,且具有一定的工程实用价值.      

滑跃起飞中机舰参数的适配性分析

通过仿真计算,分析了各主要机舰参数的变化对滑跃起飞安全性的影响;计算出满足起飞安全准则的主要机舰参数的适配值集合,并总结了适配规律.研究结果表明:飞机起飞质量是滑跃起飞过程中航迹下沉的主要影响因素,增大升降舵预置偏角和滑橇板出口角均可抑制航迹下沉;升降舵预置影响飞行迎角,预置偏角过大会导致飞机失速;滑橇板出口角影响俯仰角速度,当出口角为12°时,俯仰角速度的峰值最小;在适配值集合内,随着飞机起飞质量的逐渐增加,由升降舵预置偏角与滑橇板出口角组成的适配范围逐渐缩小.因此,为了保证滑跃起飞的安全,对于确定的构型和起飞甲板,需要合理地确定舰载机的最大起飞质量.      

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性;并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化;退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.