基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化

针对升力式飞行器再入终端需要满足窗口约束条件的情况,提出了一种基于模型预测算法的再入轨迹优化方法。该方法利用预测模型和滚动优化策略将非线性多约束优化问题转化为线性优化目标函数,并采用二次规划法求解该轨迹优化问题,得到了满足相应约束的亚轨道再入轨道。以某升力式再入飞行器为对象进行了纵向轨迹优化计算,仿真结果验证了该轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。     

基于混合网格上的高温非平衡流的数值模拟

新一代再入飞行器及空间传输系统需要了解其飞行时的气动问题及热力学问题。数值模拟高空、低密度、高熵及非平衡流动是一具有挑战性的问题。本文针对带座舱飞船高超声速再入大气过程中存在的严重气动加热现象,利用混合网格及Osher逆风格式,数值求解了三维化学非平衡Navier-Stokes方程,其中化学模型是5组分1 7个化学反应的空气化学模型,对带座舱飞船再入高度为40 km和马赫数为2 0 ,1 0的化学非平衡流场进行了数值模拟,给出了迎角为0°和2 0°情况下的各个组分的密度分布、压力等参数,并与量完全气体的计算结果进行了比较。     

机械展开式再入飞行器气动性能分析与优化

机械展开式再入飞行器由于气动面积较大,可以有效地进行气动捕获和气动减速,但需研究分析主要气动外形参数对气动性能的影响并通过优化进一步提高减速效果。针对计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）开展再入飞行器外形优化计算量大、耗时多的问题,提出了一种基于反向传播（back propagation, BP）神经网络的气动性能优化方法。在对再入飞行器参数化建模的基础上,首先采用正交试验设计生成样本,通过CFD方法进行高精度气动力性能计算,对样本计算结果进行方差分析;再利用BP神经网络对生成的样本集进行非线性拟合,构建神经网络气动性能近似模型;最后使用多岛遗传算法和BP神经网络模型开展阻力最大的气动外形设计优化,并对优化结果进行参数灵敏度分析。结果显示,该优化方法可以快速准确地求解优化模型,在保证精度的同时大幅提升了计算效率,可为未来工程设计和应用提供参考。     

基于CFD的直升机旋翼流场及气动力计算

建立了一个基于结构运动嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼流场,为更好地预测旋翼气动载荷提供一套计算方法.在该求解器中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上采用低数值耗散的Roe格式结合三阶逆风格式(Monotonic upwind scheme for conservation law,MUSCL),湍流模式采用了一方程的Spalart-Allmaras模型.应用所建立的方法,分别针对Caradonna模型旋翼、UH-60A直升机旋翼的悬停流场和7A旋翼、SA349/2直升机旋翼的前飞流场以及旋翼气动载荷进行了数值模拟.计算结果表明,本文的方法在一定程度上提高了对旋翼流场的模拟能力,进而提高了旋翼气动载荷的计算精度.     

亚声速飞机外挂物气动载荷和分离轨迹工程估算方法

本文简要介绍了一种计算亚声速飞机外挂物气动载荷和分离轨迹的工程方法。本方法分别采用源汇模型和涡格模型模拟母机的体积效应和法向力效应,采用迭代方法计及母机-外挂物之间的二阶干扰。在气动中心高速所研制的战术导弹气动特性工程计算方法的基础上,以迎角沿弹身轴线和翼片变化的流动条件代替该方法中的均匀来流条件,而建立了非均匀流场中外挂物气动载荷的计算方法。最后采用四阶的 Adams 数值积分方法求解六自由度运动方程而得到外挂物的分离轨迹。与国内外其它计算方法相比,本方法具有适用范围广、迅速、方便、实用等特点。本方法对一系列算例进行了计算,其结果与风洞实验数据具有令人满意的一致性。     

航天飞机的气动热——航天飞机的空气动力学问题之四

轨道器的热防护系统是航天飞机研制中的主要技术关键。本文简要地介绍了美国 Shuttle-1航天飞机轨道器研制中所遇到的有关气动热的几个主要问题,包括再入气动热环境的预测、非平衡和表面催化效应、边界层转捩影响、背风面加热和缝隙加热以及激波干扰加热等。并对用风洞试验、工程计算和数值模拟方法所得到的轨道器气动热的预测值与飞行试验的实测结果作了比较和分析。最后对需要开展的航天飞机气动热的研究工作提出了建议。     

求解奇异最优问题的控制变量转移法

形如integral from t_0 to t_fx~T(Qxdt)二次型性能指标的最优化问题,是一类较为常见的奇异控制问题。本文就这类奇异控制提出一种新的求解方法,利用正交变换进行控制变量转移,将系统原控制向量置于重新构造的哈密顿函数H之外,选择状态变量中的一部分作为系统新的控制向量,且该新的控制向量与H不再呈线性关系,于是可以运用一般的求解非奇异最优控制问题的极大值原理来求解奇异最优控制和奇异最优轨线。本文提出的求解方法较为简便,所得结果与其他方法所得结果完全一致。     

三参数Weibull分布参数的极大似然估计数值解法

利用降阶思想,给出了一种新的求解三参数Weibull分布参数的极大似然估计数值方法。该方法首先假定形状参数已知,将三元方程组转化为二元方程组,并用二分法求解该二元方程组的数值解,然后将尺度参数和位置参数表示成形状参数的函数,此时极大似然函数仅是关于形状参数的单变量函数,再次应用二分法即可得出形状参数的最优估计结果。该算法稳定,不需要赋予初始值,对样本数量没有限制。与其他方法相比,具有计算精度高、运算速度快的优点,便于工程应用。     

切削过程优化问题的边界极值解法

本文首先讨论切削过程优化问题目标函数的极值问题,并完成切削过程优化问题目标函数无极值的证明,给出了在刀具耐用度满足泰勒公式条件下的特例证明。在此基础上提出了该类问题的边界极值解法,把两维空间内的求极值问题转化为一维问题求解,大大减小了计算量。本文还讨论了边界极值求解方法在计算机实现过程中若干问题,包括约束分类方法、约束边界的组合方法、约束边界在计算机内的表达方式等问题。本文最后给出了一个应用边界相比求解的实际例子,并与采用传统的数学规划求解方法进行了比较。结果表明,两者计算结果一致,采用边界极值法的计算速度比数学规划方法提高了一个数量级。     

气动加热环境下大攻角翼面超音速颤振分析

研究大攻角翼面超音速热颤振的分析方法,内容包括气动加热、温度场、热应力和热模态分析,大攻角翼面非定常气动力计算和热颤振分析。提供了一套从流场分析开始到颤振临界参数搜索的一体化热颤振工程分析方法。气动力方面,应用激波膨胀波理论计算大攻角翼面的当地流场参数;应用参考焓方法计算大攻角翼面气动加热的热流密度;以当地流活塞理论计算翼面超音速非定常气动力。结构方面,利用有限元方法进行翼面瞬态温度场和热模态分析,然后用模态叠加法建立颤振运动方程;应用状态空间法和时域递推积分的方法求解颤振运动方程。工程实例的热颤振分析表明,在Ma〉3的高马赫数下热颤振临界动压比常温的颤振临界动压明显下降,高马赫数下翼面的热颤振分析在工程设计中值得重视。     

返回舱跨声速自由飞行的静动稳定性

采用运动自由度不受约束的风洞自由飞试验技术，研究大钝头、小升阻比的类"联盟号"返回舱在跨声速区自由飞行时的运动特性与气动特性规律。以单平面光路拍摄返回舱模型在风洞中自由飞动态运动过程图像，经图像自动判读获取其运动轨迹与姿态角，并以参数微分法对模型运动姿态角进行线性与非线性气动参数辨识，得到模型俯仰方向的静、动稳定导数系数。研究结果表明:采用线性与非线性气动参数辨识所获得的静稳定导数系数C_mα均小于零，在数值上差距不大；从非线性气动参数辨识结果看，返回舱静稳定导数系数的数值主要由线性项C_mα0决定，非线性项C_mα2α2所占比例较小；类"联盟号"返回舱静稳定导数系数的非线性较弱，可近似用线性气动模型进行辨识。在试验迎角范围内，返回舱的动稳定导数系数呈现出非线性性质，且在小迎角范围内由线性项决定，在大迎角范围内主要由非线性项主导。     

用最优轨迹分析法研究战斗机的敏捷性

利用最优轨迹分析法确定战斗机的敏捷性，并将最优控制问题转换为参数优化问题，由非线性数学规划理论解出参数变化规律。从典型示例飞机分析了不同迎角限制和推力下的控制策略及对功能敏捷性的影响。仿真结果表明，在转弯过程中适当放宽迎角限制和增加推力都能增大转弯速率，缩短转弯时间，从而改善飞机的功能敏捷性。     

变体无人机栖落机动建模与轨迹优化

对一类变体固定翼无人机栖落机动的纵向运动进行了建模与轨迹优化研究。针对栖落机动后段飞行速度低及迎角大带来的舵面气动效率下降的问题,研制了一种可改变主翼位置的变体无人机。通过室内飞行实验,利用运动捕捉系统测量获得飞行数据。依据实验数据,结合平板气动理论建立了变体无人机的气动模型,并建立了变体无人机的纵向动力学模型。采用广义伪谱优化软件(General pseudo-spectral optimization software,GPOPS),对所建立的变体无人机模型进行栖落过程轨迹优化研究。优化结果表明,与普通固定翼无人机相比,变体部件能够显著提高无人机的姿态操纵效率,从而改善无人机栖落机动性能。     

小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性

本文主要介绍小升阻比载人飞船返回舱的配平气动特性。研究表明，采用返回舱重心横编的方法，在保持对静稳定性的要求下，可以获得飞行轨迹机动控制所需的配平升阻比。返回舱飞行试验的配平气动特性可从舱内惯性平台的加速度和姿态记录数据以及轨道数据求出。风洞试验的配平气动特性数据与飞行试验结果比较之后发现，以往风洞试验得出的马赫数大于６后，返回舱的配平气动特性基本不变的结果未被飞行试验所证实。在高超声速下，随着马赫数的增大，飞行试验得出的配平攻角和配平升阻比基本上呈线性减小。返回舱的静稳定性数据表明，有时会出现不希望的第二配平点。消除该第二配平点的主要方法是进行外形修改设计和在返回舱小头上加装调整翼片。     

旋转导弹风洞动态测力试验技术研究

常规风洞静态气动力测量技术无法得到旋转导弹的非定常气动特性数据，需要研究在风洞中模拟旋转导弹运动特征以及对气动力实现动态测量的试验技术。在1.2 m量级超声速风洞中，研究了大长细比导弹模型旋转运动主动控制技术以及与旋转运动对应的动态测量试验技术。采用旋转导弹模型（长细比为20）对建立的试验技术进行了风洞试验验证。结果表明:采用微型驱动系统并对旋转组件与导弹模型进行一体化设计，可以对大长细比导弹模型转速进行稳定控制；建立的风洞动态测力试验技术可以对导弹模型旋转运动下的动态数据进行测量，试验数据重复性精度良好。     

三维航迹的直接优化方法

介绍了用直接方法进行系统优化的基本原理，给出了求解沿航迹的速度序列和控制量序列的方法。与数字地图技术相结合，将这种方法应用到低空突防三维航迹优化之中，用改进的单纯形算法求解直接优化方法中的参数。由于优化参数少，可以实现航迹的实时优化，并且在优化过程中考虑了飞行器性能和推进系统性能的限制，故所优化出的参数航迹是可飞的。     

有限推力能量、燃料最优轨道转移控制

应用间接法研究了时间固定下的能量、燃料以及能量-燃料最优有限推力轨道转移控制问题.燃料最优问题因存在奇异性而不易处理,引入能量性能指标可以消除奇异性,应用ε算法寻求解决了燃料最优轨道转移问题.应用极小值原理,设计了最优控制器,应用单值打靶法研究了相应轨迹优化问题转化的两点边值问题.数值结果表明在相同推力、相同轨道转移时间条件下,三种最优控制方式得到的最优轨迹几乎相同;同时也表明给定初始和目标轨道,轨道转移任务消耗的燃料是确定的,推力大小只影响轨道转移的圈数.     

航天飞机气动力辅助异面轨道变换

本文研究了以气动力作为辅助动力,实现异面圆轨道的最优变换。以目标轨道面倾角最大为优化性能指标,获得了升力和滚转角的最优控制规律。文中提出了优化问题的一种参数搜寻方法,有利于问题的求解。文末对结果作了分析,讨论,并就有关的多种变换模态作了分析、对比,表明在一定条件下,气动力辅助变换有明显的优越性。     

载人飞船返回舱的气动热流率分布

高超声速有攻角钝头轴对称体的载人飞船返回舱的热流率计算，目前已有很多方法。迎面球冠的对流加热率可由风洞试验结果和Ｌｅｅｓ及Ｄｅｔｒａ－Ｋｅｍｐ－Ｒｉｄｄｅｄ等的驻点热流理论作较好预测。拐角圆环区是返回舱上加速流最剧和气动加热最严重的地方。试验结果表明迎风倒锥附着流表面的热流率和背风倒锥分离流表面的热流率分别比零攻角驻点的热流率的１５％和５％还低。     

复合材料翼面结构满足颤振速度约束优化设计

本文对复合材料翼面结构进行了满足颤振速度约束的最小重量设计。目标函数为结构重量,颤振速度及工艺尺寸要求为约束条件,运用可行方向法求解优化问题。文中用双三次多项式来模拟翼面复合材料蒙皮厚度,多项式系数及其他有限元的厚度或横截面积为设计变量,通过变量成组减小设计规模,用解析法求颤振速度对设计变量的导数。文后用本法对两个机翼盒段模型进行了优化设计。