高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

超视距雷达探测高超声速飞行器可行性分析

在前期开展再入飞行器RCS（雷达散射截面）特性试验和理论研究的基础上，对典型临近空间高超声速飞行器RCS特性开展了研究，分析了绕流和尾迹对飞行器本体RCS特性的影响。研究表明等离子体流场在头身部绕流、近尾尾迹和部分远尾尾迹的最大电子密度将远高于电离层最高电子密度，更高于典型天波超视距雷达工作频段对应的临界电子密度。因而等离子体尾迹将会对3~30 MHz频段电磁波产生较强的散射，使得等离子体尾迹的RCS远远大于飞行器本体的RCS。利用临近空间高超声速飞行器尾迹RCS的这一特点，有可能实现对临近空间高超声速飞行器的超视距探测。     

锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计

对锐边高超声速再入飞行器气动隐身综合设计进行了研究。以REX-203飞行器外形为研究对象建模,分析了修正牛顿理论、活塞理论和激波膨胀波理论三种常用的高超声速气动力工程算法用于锐边高超声速再入飞行器的适用性,用最准确的修正牛顿理论讨论了不同外形的飞行器最大升阻比变化规律,用高频近似算法计算了飞行器雷达散射面积(RCS)。综合考虑最大升阻比和RCS,给出飞行器隐身气动综合优化设计为飞行器中部长度0.6~0.7m。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器

采用数值仿真方法，开展了高超声速飞行器（HIFIRE-5）的流场特性计算研究，精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象，并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明，所用数值计算方法有效，横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因，该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

面向轨迹预测的高超声速飞行器气动性能分析

为了给高超声速轨迹预测问题提供先验知识,研究了面向轨迹预测的高超声速飞行器气动性能分析问题。首先,简要介绍了高超声速再入滑翔飞行器的基本性能,从拦截的角度分析了对其滑翔段进行轨迹预测的必要性。其次,以HTV-2为例,采用斜激波理论、活塞理论、Prandtl-Meyer方程及粘性力工程计算方法对临近空间高超声速环境下飞行器的受力情况进行了分析建模。然后,对目标机动性能进行了仿真分析,仿真结果与相关文献报道较一致,证明了建模仿真方法的可行性。最后,基于以上建模仿真,给出了一组适用于临近空间高超声速飞行器滑翔段目标跟踪和轨迹预测的气动参数,并进行了仿真验证,为下一步研究基于拦截的高超声速飞行器轨迹预测提供了理论基础和方法指导。     

临近空间高超声速飞行器RCS特性研究

首次系统地对升力体外形临近空间飞行器雷达散射截面（RCS）特性开展了研究,主要研究内容包括本体及绕流RCS特性研究,亚密湍流尾迹RCS特性研究和层流尾迹的RCS特性研究等。结果显示：等离子体绕流将降低飞行器后向RCS;亚密湍流尾迹对低频段RCS影响明显,对高频段影响不明显。另外,双站雷达对临近空间高超声速飞行器也会有较好的探测效果。     

带控制舵双锥体气动力工程计算方法研究

利用“部件叠加法”发展了一套可以计算带控制舵机动飞行器在超声速和高超声速飞行时的纵横向气动力的工程计算方法。通过对干扰因子和等效攻角等概念的引入,并根据一些数值计算解和风洞试验结果,考虑了舵-体、体-舵间的气动干扰,从而可以计算飞行器组合体的气动力。     

吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹优化

针对吸气式高超声速巡航飞行器建立了纵向平面内的二维轨迹优化模型(包括火箭助推段和吸气式飞行段),其中大气模型、气动力模型和发动机模型均建立了比较详细的模型,能够比较全面、准确地描述吸气式高超声速巡航飞行器的特征;基于配点法建立了适用于高超声速巡航飞行器助推-巡航轨迹优化的方法,在求解非线性规划时引入了规范化处理、稀疏分析和偏导数计算方法等,以提高优化效率;对吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹进行了优化研究,分析了典型设计参数变化对最优轨迹的影响。仿真结果表明:所建立的方法能够快速、高精度求解吸气式高超声速巡航飞行器轨迹优化问题,并且能够方便地分析设计参数变化对最优轨迹的影响,可用于吸气式高超声速飞行器飞行剖面设计与优化。     

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器流场特性数值仿真研究

采用数值仿真方法,开展了高超声速飞行器(HIFIRE-5)的流场特性计算研究,精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象,并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明,所用数值计算方法有效,横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因,该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

某型导弹的电磁散射特性分析

通过综合运用物理光学法（PO），等效电磁流法（MEC）和几何光学法（GO）等，并考虑目标各部分散射场间的相对相位关系，分析了椭球体和橄榄体两种不同形状弹头导弹的电磁特性，计算出了它们的雷达散射截面积（RCS）。计算结果与相关文献结论吻合较好，表明该方法更正确有效的，能满足工程分析需要。     

飞机机身近区电磁散射建模研究

采用物理光学法和一致性几何绕射理论，分析机身各 球面波照射下的近场电磁散射特性几何绕射并建立其雷达散射截面（ＲＣＳ）数学模型，同时对于复杂机身的前部，采用面元油、即采用双三次Ｂ样条技术对机外形进行拟合，然后再用一致性几何绕射理论进行计算。种方法具有一定的可信度。     

箔片平均RCS的频率特性研究

首先基于物理光学法对单个箔片的电磁散射特性进行了计算与分析,然后结合箔片姿态分布的统计规律,推导了圆形箔片平均雷达截面积（RCS）的精确公式,并利用数值积分的方法给出了方形箔片的平均RCS。在此基础上,分析了箔片平均RCS随频率的变化关系,结果表明,箔片的平均RCS近似反比于波长的一次方,且等面积的圆形箔片和方形箔片的平均RCS相差很小。最后,导出了箔片平均RCS的近似计算公式,推导了箔片云团RCS的统计特性,得到了箔片云团的RCS服从指数分布的结论。     

反射面的轴向电磁散射及外形优化

本文联合运用几何光学和等效电磁流法,导出了金属反射面轴向散射场和雷达截面(RCS)的简洁表达式,研究了从旋转二次曲面(凹面或凸面)中寻找具有最低RCS值的曲面形状优化方法,给出了一个典型实例的单站RCS立体分布图,以及最低RCS值所对应的波谷曲线和最佳表面参数。     

引信目标RCS理论算法的发展及应用

论述了引信近场雷达散射截面(RCS)计算的特殊性及难点，同时介绍了计算引信目标RCS的多种高频理论预估方法，着重比较了物理光学面元法与几何光学法，并讨论了其他一些理论方法的特点。通过某型导弹的应用实例，指出了引信目标模型在雷达引信目标系统仿真中的重要作用。     

基于ProE的航天器三维屏蔽与辐射剂量评估方法研究

为准确评估结构异常复杂的航天器内部遭遇的辐射剂量,本文将直线近似原理和ProE工程软件相结合,自主开发了一种新型的航天器三维屏蔽与辐射剂量评估方法。利用本方法对立方体、球、平板等简单几何体内部的屏蔽厚度和辐射剂量进行了分析计算,计算结果表明基于ProE的三维屏蔽与辐射剂量计算方法是可靠的。结构复杂程度相当于中等规模航天器的模型计算结果表明,本方法能够较高效的分析评估复杂航天器内部遭遇的屏蔽厚度和辐射剂量。
     

直线阵频带内的辐射和散射特性分析

为降低阵列天线工作频带内的峰值副瓣电平(PSLL)和雷达散射截面(RCS),提出利用混合优化算法IGA\|EDSPSO, 通过调整阵元间距优化辐射阵因子和散射阵因子,使其带内的辐射和散射特性得到改善。并采用渐近波形估计技术(AWE)结合矩量法(MoM)计算了线阵频带内的PSLL和RCS,考虑互耦后的结果更接近实际情况。与均匀直线阵相比,非均匀阵的PSLL在-17dB以下,RCS在绝大部分频点得到了很好地减缩,证明了此方法的有效性。
     

一种可实现雷达隐身的微小卫星外形设计（英文）

实现对雷达的隐身是卫星隐身技术的重要研究内容。有效的隐身外形对卫星雷达隐身性能的贡献可达70%,是实现卫星雷达隐身最直接、有效的手段。对可实现雷达隐身的微小卫星外形设计进行探索性研究。首先在假定的卫星外形设计约束条件下,提出一种隐身结构外形设计。然后根据电磁场散射理论,以高频散射计算方法为基础,对具有该外形的卫星RCS进行理论预估。进一步制作全金属外形、全尺寸卫星模型,在微波暗室利用频域测量方法,对理论预估结果进行了验证,说明了该卫星隐身外形设计的有效性。     

空间飞行器目标电磁散射特性分析

根据某空间飞行器及目标几何模型,用高频近似法计算飞行器的电磁散射和角散射线偏差等,计算结果与矩量法(MOM)及暗室测试结果吻合,验证了算法的正确性,并给出了该空间飞行器雷达散射截面积(RCS)的统计结果、角闪烁在近距离的变化,以及模拟运动过程中散射特性随时间的变化。结果表明:该空间飞行器点频后向RCS满足χ2分布模型;在远场,角闪烁引起的线偏差与距离基本无关,在近场,线偏差与距离密切相关;动态散射特性与运动中的相对姿态和距离等密切相关。