Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式，结合了飞船和航天飞机的特点，升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大，而且可以部分重复使用，是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向。采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测，建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型，利用多目标遗传算法进行了优化计算，获得了约束条件下的Pareto最优解集。     

Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式,结合了飞船和航天飞机的特点,升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大,而且可以部分重复使用,是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向.采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型,利用多目标遗传算法进行了优化计算,获得了约束条件下的Pareto最优解集.     

新型升力再入飞船返回舱气动外形选型研究

未来低成本天地往返运输系统的气动外形设计的总体要求是升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大、可重复使用等。结合国内技术水平和国外经验教训,提出了我国未来新型升力再入飞船返回舱的总体气动需求,采用平面斜切二次曲线构造截面的模线设计方法,设计了四种满足长度、截面尺寸和容积等总体需求的返回舱布局方案。利用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,利用气动力与六自由度弹道的耦合计算研究返回舱无控再入飞行特性。研究表明,所设计的返回舱外形高超声速稳定配平升阻比大于0.9,阻力系数大于0.5,法向过载低于2.5,具有较好的静动稳定性,具备可部分重复使用的潜力。     

火星进入器高超声速气动力/热研究综述

针对火星探测任务进入阶段复杂且特殊的气动力/热环境,总结了国际火星探测进入任务的历史沿革、发展动向和关键气动问题,综述了火星进入器地面风洞试验、飞行任务和高超声速气动力/热数值模拟的研究进展,提出了国内后续研究的重点方向,包括复杂气动问题建模和精细化模拟、风洞及相关试验研究、气动设计相关问题等,为我国未来火星进入器设计提供技术支持。     

飞行器热气动布局优化设计研究

开展飞行器热气动布局设计方法研究,初步建立了高速飞行器概念设计阶段的热气动布局优化设计方法,通过参数化布局设计技术、气动力、热环境、弹道及优化技术等多学科性能分析及优化方法的综合应用,进行飞行器的热气动布局设计。对带控制舵钝双锥体机动飞行器的设计研究表明,考虑热环境的热气动布局可以在保证升阻比不变的条件下,降低驻点及第二锥身等特征点的轨道峰值热流达30%以上。
     

高超声速飞行器复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案

采用DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性.提出了一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识,进行高超声速复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.对物面网格的标识、分子的运动及与表面碰撞的判断、流场量的采集的实施方法和细节进行了分析和讨论.仿真计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,证明了采用的方案和技术的有效性.     

美国航天飞机防热系统简介

美国航天飞机需要多次反复出入地球大气层，在其上升、入轨和再入的飞行过程中要经受严重的热、振动、噪声和冲击等复杂环境的影响，其中最苛刻的飞行条件是从轨道上以高超音速再入大气层时强烈的气动加热，因此需要采用防热系统对机体结构加以保护，防止它因高温而被烧毁。航天飞机再入气动加热环境的确定是防热系统设计的基础。     

大尺度薄壁结构力-热-电一体化分析

基于有限元-多层快速多级子方法(FEM MLFMM)提出天线罩力热电一体化分析方法，以平板为研究对象，验证一体化分析方法的准确性；以大尺度升力天线罩为研究对象，开展气动力和气动热载荷下结构的力-热-电一体化分析，评估力/热环境下结构的强度性能，并探究力/热载荷对结构电磁透波性能的影响规律。研究结果表明：提出的一体化分析方法具有较好的分析精度；在气动力载荷下，天线罩透波性能下降，下降幅值随着气动力载荷的增大而增大；高温引起的材料电磁参数变化对天线罩透波性能有较大影响；在天线罩结构设计阶段，需要充分考虑气动热和气动力载荷对其电磁性能的影响。     

天地往返运输系统中的导航、制导控制系统

本文重点分析了天地往返运输系统对导航、制导控制系统的特殊要求,以及导航、制导控制系统在天地往返运输系统中的重要作用;导航计算中采用的主要计算公式、校准方法和制导控制函数适合应用的形式。文中简单说明四框架惯性平台系统的两种框架配置形式及捷联式惯导系统适合在轨道飞行段使用,并给出速率捷联系统解算姿态角的解算式;文中还说明在轨道飞行段采用星光技术的必要性和使用方法;以及以电子计算机为核心的电子系统冗余技术使用的必要性及冗余技术对计算机的使用要求。     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

充气气囊减速方案的气动设计研究

减速是航天飞行器必须面对的问题。充气气囊减速方案利用柔性编织材料外加涂层方式构成气囊，利用气体发生器快速产生高压气体，集防热、减速和着陆减振功能于一体，重量轻、成本低、适用范围广、可靠性高。设计了满足减速需求的气囊外形，利用数值求解NS方程和工程计算方法进行了气动力的预测和比较分析，利用六自由度动力学模型与气动力的耦合计算，对减速效果进行了计算与分析，并对热环境、温度场、应力、热应力及变形进行了计算，还对分离不确定性进行了研究。地面引导性风洞试验和理论分析表明，充气气囊减速方案具有十分明确的减速效果和优点，可用于未来航天飞行器实现减速飞行目的的技术方案。     

基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器概念研究--最优控制律问题

从一个天地往返飞行器的上升轨道和再入返回轨道的优化，以及适用不同飞行任务的变轨要求的气动外形问题，提出一项基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的新概念研究。对于一个固定气动外形飞行器要同时满足上升轨道有效载荷最大和再入轨道热流峰值、过载峰值及机动性能约束下的成本最低往往是困难的。若同时满足不同飞行任务：飞往太空站的运输任务，空间拦截和交会机动巡航任务及星际探测任务，则更为困难，实际上是不可能的。文章研究基于气动力辅助变轨，在热流约束下，气动外形参数变化对最优控制的影响。其结论为：热流约束下的最优控制解，包括考虑推力协同变轨，除了在非约束弧的滚转角不直接受气动外形影响外，其余的控制律，升力系数和滚转角都是气动外形参数和攻角的函数。因而变气动外形可作为一项新技术，即通过气动外形参数变化和相应的变轨策略而获得性能和成本都最佳的用途很广的一种新型飞行器。     

航天飞机末端区域能量管理段航程设计研究

末端区域能量管理段的主要目的是控制航天飞机的动能和势能，并最终达到进场着陆段的初始要求，以保证最终成功着陆。制导系统通过能量、速度和侧向轨迹的控制，使航天飞机达到标准的能量状态。而航程设计是制导系统的基础，制导系统中控制指令的产生都依赖于航程预测，因此，设计预测航程对航天飞机顺利完成末区能量管理段的飞行至关重要。所采用的制导方法是将末端区域能量管理段划分为四个飞行段，即S形转弯段、捕获段、航向校准段及进场前飞行段。分别对四段进行了预测航程设计，并给出了仿真实例。仿真结果表明所设计的航程能够使航天飞机很好地完成末区能量管理段的飞行，具有较高的工程实现价值。     

航天飞机自动着陆技术概念研究

自动着陆段是航天飞机整个飞行任务的最后一段 ,它是指从离地高度 30 0 0m的自动着陆入口到航天飞机在跑道上着陆滑跑的这一段飞行。在自动着陆段 ,航天飞机着陆采用对基准轨迹跟踪的方式 ,就是根据预先设计好的基准轨迹 ,各模态的制导系统将航天飞机的高度误差和高度速率误差按照一定制导律得出法向加速度指令 ,去控制飞机 ,以跟踪基准轨迹。本文还阐述了速度控制、起落架着地后的俯仰速率控制、横滚改出及飞行员人工监控和接管航天飞机着陆等内容。自动着陆技术的概念研究为以后航天飞机自动着陆系统的开发提供了必要的设计思想与工程实现手段     

组合动力空天飞行器关键技术

针对组合动力系统的工作特征和空天飞行器的任务特点，总结组合动力空天飞行器面临的主要问题，并梳理了该类飞行器存在的主要关键技术。从气动布局、机体/推进一体化、热防护/热管理、制导、控制、地面和飞行试验等方面，详细阐述各类关键技术存在的难点，总结各类技术的发展现状，并分析给出未来可能的发展途径和方向。相关研究可指导未来组合动力空天飞行器的技术攻关。     

一种高速可变形飞行器智能变形决策方法

针对一类高速可变形飞行器(HMFV)的变形决策问题，提出一种基于深度确定性策略算法(DDPG)下考虑综合性能指标最优的智能变形决策方法。首先，以一类后掠角可连续变化的高速飞行器为研究对象，给出变形飞行器动力学模型，分析模型特性及变形量与关键气动参数之间的定性关系。其次，基于关键气动数据特征分析，考虑包含气动性能、控制误差在内的综合性能指标，设计一种基于DDPG算法的智能变形决策方案。再者，针对带有标称控制器的HMFV进行变形决策训练，实时获得滑翔过程中不同飞行状态下的最优构型。最后，仿真结果表明所设计的智能变形决策算法收敛效果好，且具备较好的泛化性能。相比于固定外形，可通过变形使得在不同状态下的升阻比保持最优，且与考虑单一决策指标相比，考虑综合指标最优的变形决策可进一步缩小姿态动态跟踪误差。     

基于MOEA/D的三锥体拦截器气动外形优化设计

针对由临近空间拦截器飞行环境变化剧烈导致的热流密度过高等问题,提出一种多目标外形优化设计方法,并针对一种新型三锥体临近空间拦截器外形进行优化设计。首先,建立飞行器的气动、弹道、气动热等多学科分析模型,利用高斯-伪谱法计算拦截弹道,利用桥函数法建立气动模型,并利用Fay-Riddle方法估计气动热流密度。然后,以飞行器航程、总热流量和飞行时间为优化目标,采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)与伪谱法将该问题转化为一组单目标优化子问题,得到Pareto前沿并进行相关分析。最后,给出一个优于基准值,同时满足性能指标要求的新型外形。结果表明:该优化方法具有可实现性,为未来的飞行器设计提供了新思路。     

高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境，采用分区求解方法，实现气动力/热/结构多场耦合计算，并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型，对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲；拉伸变形主要由气动热引起，弯曲变形主要由气动力引起；导弹头部气动热与气动力载荷大；耦合效应随着导弹攻角增加更加明显，造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

基于模糊神经网络的质量矩拦截弹动态逆控制

质量矩控制是一种全新的飞行控制方法,与广泛应用的空气动力控制相比,可以避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题,而且,可以提高飞行器的机动性和敏捷性。以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础,通过对模型合理的简化,得到一个耦合的非线性动力学系统。考虑到系统的鲁棒性要求和三个滑块的协调控制问题,应用双时标分解的方法,提出将拦截弹动力学分离为快变状态动力学和慢变状态动力学。然后,设计了拦截弹模糊动态逆飞行控制系统,分别针对快变和慢变子系统,提出了一种基于模糊神经网络(FNN)的动态逆误差补偿方法,可以有效地抑制气动参数摄动而引起的控制系统性能的下降,提高了控制系统的鲁棒性。仿真结果表明系统性能指标满足设计要求,只需微调滑块位置,即可以实现拦截弹的飞行控制。     

可变形翼导弹动态气动特性的仿真研究

导弹发射后,飞行高度从近地面到高空域,气压、温度变化巨大,同时飞行马赫数也从低速到超声速、高超声速。在不同飞行阶段稳定性能和升阻比需求不同,对导弹气动性能要求不同。固定外形导弹的气动性能难以适用于不同的飞行任务,而可变形翼导弹通过改变翼面的形状,实现外形上的变化,从而适应不同的作战环境。通过分析可变形收缩弹翼不同收缩速度(快速、中速、慢速3种状态)的气动性能,研究了导弹气动性能随弹翼收缩速度变化的规律,揭示了升力系数和阻力系数随弹翼的收缩速率的线性变化特征。同时还分析了变形前后导弹附近流场的压强、速度和温度的变化,以及这些物理量对导弹的影响。结果表明,伸缩翼改变了翼面面积和展弦比,弹翼伸长时具有高升阻力,适合亚声速巡航,弹翼收缩可以减小高马赫数飞行时阻力,提高导弹射程。