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。     

高超声速小钝锥边界层非对称转捩研究

在脉动能-比耗散率(ｋ-ω)两方程体系上引入边界层转捩的模型化处理方法,构建高超音速边界层流动的转捩湍流模式。基于新的转捩湍流预测手段研究发现,圆锥小攻角下转捩特性呈现非对称分布———迎风面后移而背风面前移,非对称转捩对于高超音速飞行器的表面热流特性及气动力特性影响显著。     

基于某型飞行器卫星定位航迹修正算法的研究

传统飞行器航向通道比例-积分-微分(PID)控制易受各种因素的干扰使飞行器偏离预定弹道,而卫星导航技术在航空航天的领域已十分成熟。因此本文将飞行器飞行过程中,通过卫星导航技术得到的位置信息闭环到航向控制通路中,形成对飞行器侧向位置的闭环控制。该方法通过开环控制与闭环控制相结合的方式,有效地解决了卫星导航定位不稳定等问题,可以有效减小飞行器弹道精度的有效控制。     

再入飞行器偏离稳定判据的研究与应用

针对动态偏离敏感参数(CnβDYN)和侧向操纵偏离参数(LCDP)无法预测飞行器在大侧滑角飞行条件下偏离失稳特性的不足,推导建立了大攻角、大侧滑角条件的飞行器动态偏离判据和操纵偏离判据,指出该判据包含了飞行器的所有飞行状态,能够更精确的反映系统的静稳定性需求,可作为一种通用的预测偏离失稳的判据,并对某再入飞行器应用新偏离稳定判据,进行了偏离稳定性分析.     

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。     

可重复使用飞行器末端能量管理段轨迹和制导研究

采用Bernoulli螺旋线来描述航向调整圆锥在水平面中的投影,以此为基础建立了可重复使用飞行器在航向调整段的动力学和运动学模型,提出了一种根据末端能量管理段起始点水平面位置和飞行器的能量/航程比动态来生成航向调整圆锥的方法,以及航向调整段和捕获段的制导方法;数字仿真结果表明,本文提出的轨迹设计和制导方法可以使可重复使用飞行器以自动着陆界面要求的速度和高度对准跑道,实现飞行器安全降落。     

飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响

研究了飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响。通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了来流Ma=6，半锥角为7°的钝锥在飞行高度20~40 km条件下的基本流场，利用线性稳定性理论（LST）研究了飞行高度对钝锥边界层流动稳定性的影响，最后采用e N方法进行了转捩预测。研究发现，随着飞行高度的增加，流向不稳定N s值和横流不稳定N cf 值均减小，由横流不稳定性引起的圆锥表面大部分区域转捩逐渐转变为流向扰动引起迎风面转捩横流扰动引起背风面转捩，继而横流扰动消失,流向不稳定波引起迎风面转捩。     

最优调节器设计的应用实例

本文对某飞行器航向通道设计了最优调节器,给出了现代控制理论具体应用的一个实例。1.最优调节器的设计设某飞行器的航向质心运动微分方程如下     

10°尖锥气动特性边界层转捩诱导量的测定研究

本文用风洞实验的方法在国内外首次测出了１０°尖锥气动特性的转捩诱导量，包括转捩诱导法向力及其作用点，转捩诱导俯仰力矩和尖锥压心的转捩诱导量。研究结果表明，这些转捩诱导量随Ｒｅ数的变化趋势合理，具有确定的规律性。研究认为，这些转捩诱导量产生的原因是细长锥边界层转捩的不对称性。利用这些结果，可以很好地解释边界层转捩何以对细长锥的气动静稳定性和气动稳定性产生极为显著的影响以及静、动稳定性转捩诱导量之间的相关现象。此外，这个研究结果还有助于证明边界层转捩将影响物面的压力分布。本研究是在Ｍ＝５，α＝０°的流场中完成的，实验的Ｒｅ数范围为ＲｅＬ＝２．８×１０６～１３．８×１０６。     

边界层转捩对细长锥静、动稳定性的影响

本文简要介绍了边界层转捩对细长锥静、动稳定性影响的实验情况及对结果的分析。实验马赫数M_∞=5.047。模型为一个正圆锥,半锥角θ_c=10°。以模型长为特征尺寸的自由流月R_e数的变化范围为2.2×10~6到13.3×10~6。实验表明;R_e数对细长锥的稳定性有重要的影响。主要原因是R_e数的变化将导致锥面边界层自然转捩位置的改变、因而转捩产生的诱导力矩、诱导阻尼力矩随之发生变化。当转捩发生在后体物面上时,模型的静稳定性下降而动稳定性增加;反之,当转捩发生在前体物面上时,则静稳定性增加而动稳定性下降。静稳定性随R_e数的变化与动稳定性随R_e数的变化之间呈现出对应关系。     

转捩诱导法向力及其对细长尖锥气动特性的影响

边界层转捩时,是否会出现诱导法向气动载荷,这是一个很有意义的问题。本文介绍了在高超音速风洞中完成的静态气动力实验与动态气动力实验,它证实这种诱导法向载荷是存在的,是边界层转捩的不对称性造成的,并对细长锥的气动特性有明显而呈规律性的影响。     

类HTV-2横侧向稳定性研究

针对HTV-2类飞行器存在的横侧向稳定性差的问题,通过风洞试验、模态分析和参数敏感性分析方法研究了类HTV-2飞行器的横侧向稳定性。研究结果表明：与偏航方向相比,滚转静、动稳定性都更弱,表现为：攻角小于10°滚转方向是静不稳定的;在滚转动态试验中,振动曲线随时间不是呈现收敛趋势,而是出现明显非线性多频谱周期性特征。通过在模型前体布置顺气流纵向绊线促使流动对称转捩的方法,增加了滚转曲线的线性和横侧向稳定性。横侧向模态和参数敏感性分析表明,滚转模态随时间缓慢发散,系统对偏航静稳定性等参数比较敏感。     

一种改进的防空导弹侧向回路稳定控制结构分析

基于复合稳定控制结构,对某防空导弹侧向回路过载反馈通道的结构进行了改进。基于理论分析,结合工程应用实际进行了数学仿真验证。结果表明:在保持足够稳定裕度的前提下,改进结构的系统快速性好,鲁棒性更优。     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

Numerical investigation of the impact of asymmetric fuel injection on shock train characteristics

Numerical simulations are carried out to investigate the impact of asymmetric fuel injection on shock train characteristics using the commercial-code FLUENT. The asymmetry of fuel injection is examined by changing the fuel flow rates of the upper and lower wall fuel injectors. The numerical approach solves the two-dimensional Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations, supplemented with a k-ω model of turbulence. As a result, different ways of fuel injections will always lead to shock train transitions, with the variations of shock train structure, strength and leading edge position. For symmetric fuel injection, the flowfield of the isolator is quite asymmetric with the boundary layer of the upper wall side developing much stronger than that of the lower wall, which is due to the heterogeneity of the incoming flow. Regarding to asymmetric fuel injection with more of lower wall side, though the pressures in the combustor are nearly the same, the first shock of the shock train converts between ‘Distinct symmetric X type shock’ and ‘Obscure and weaker asymmetric shock’ and the shock train leading edge moves upstream with the increase of the asymmetry level. With regard to asymmetric fuel injection with more of upper wall side, ‘incomplete asymmetric X type shock’ occurs and the shock train structures keep nearly the same with low level of fuel injection asymmetry. Unexpected results like unstart will happen when increasing the level of fuel injection asymmetry. And the isolator will come back to normal state by decreasing the differential of upper and lower wall sides fuel injections.     

数值模拟侧向超声速单喷流干扰流场特性

采用数值方法研究了平板上超/高超声速来流与超声速横向喷流相撞引起的复杂干扰流场特性。所建立的单介质冷喷流数值模拟方法,经过了表面多方位压力分布测量结果、纹影显示的激波结构以及表面油流图谱表现的表面分离范围的实验验证。根据数值模拟与实验对比的结果,合理地描述了喷流干扰流场压力分布以及表面、空间结构特性,并分析了压力比对流场结构和特性的影响。     

高超声速飞行器激波控制减阻技术

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力，采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆，组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型，其阻力系数比气动杆模型低了33.52%，从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析，随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加，再附激波强度减弱，减阻效率升高，但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动，再附激波逐渐增强，减阻效率降低，且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。     

具有直接侧向力的拦截导弹复合制导控制设计

针对大气层内直接侧向力与气动力复合控制拦截导弹,提出了一种基于输出稳定的复合制导控制策略。该策略同时考虑了末制导精度和弹体动态响应,首先根据末制导系统数学模型选择零效脱靶量和弹体角加速度作为系统评价输出,然后计算维持末制导系统评价输出在零点所需要的控制量,最后在考虑不确定性和外加干扰的情况下,扩展附加切换控制,使得系统评价输出能够在有限时间内到达零点并确保闭环系统稳定。仿真结果表明,利用所提复合制导控制策略,在制导末段拦截高机动目标时达到了很高精度。