基于匹配渐进展开的跳跃式再入解析预测-校正制导律设计

为了适应低升阻比飞行器再入返回的大航程要求,针对大气跳跃再入飞行环境复杂并难以直接获得解析解的特点,基于匹配渐进展开法设计了一种跳跃式再入解析预测-校正制导方法。首先分析了低升阻比飞行器大气跳跃再入轨迹的飞行剖面和制导分段方法;然后分别推导了其运动方程以重力作用为主导的外解和以气动力作用为主导的内解的渐进展开形式,并通过匹配获得了统一的封闭解析表达式;接着基于此解析解实时预测飞行器的剩余航程,并通过不断迭代升阻比垂向分量以满足最后的落点精度;最后针对跳跃再入飞行的不同阶段设计了不同的制导策略以获得最终的倾侧角指令。仿真结果表明采用跳跃式再入返回技术,阿波罗指令舱的航程能够达到8 348 km,而解析预测-校正制导律的落点精度为0.338 km,证明了此方法的有效性。     

一种弹道导弹再入弹道解析方法

在现有再入段解析方法的基础上,考虑更为贴近实际的条件因素,求得一组新的弹道导弹再入弹道解析解.首先,在忽略引力影响的条件下,求解非线性微分方程组,得到零阶速度解和零阶速度倾角;再代入原方程组解出一阶速度、再入段飞行时间、速度倾角及射程的解析表达式;最后通过仿真计算证明了该方法的优越性.     

大气密度分层计算时的再入弹道解析解

给出了在考虑阻力系数为速度的函数的情况下,并将大气密度进行分层计算时,估算再入飞行器弹道主要参数的一组解析式。按上述方法进行了仿真计算,并将计算结果,Ｂａｒｂｅｒａ解,有关文献解同数值解进行了比较。结果表明,由于大气密度采用分层计算,更真实地反映了飞行器的再入环境、解析估算值较其它两种解更接近于数值解,完全可用于再入飞行器的再入弹道初步估计和再入性能分析。     

再入飞行器沉浮特性近似解析及应用

采用基于平衡滑翔的数值或解析预测-校正再入制导方法的再入飞行器,从初始下降段到平衡滑翔段过渡或出现较大预测偏差时易产生沉浮振荡,且随着近年来所研究飞行器升阻比的增加,沉浮振荡更加明显,从而引起了研究者对高超声速沉浮特性的重新审视。首先,通过三阶纵向动态方程及平衡滑翔条件推导出了形式简洁、能直观表达主要影响因素的再入飞行器高超声速沉浮特性近似解。在此基础上,分析发现高超声速沉浮阻尼特性随高度的变化规律主要由轨道速度比和沉浮修正参数主导,澄清了以往对大气密度梯度参数影响的猜测。最后,推导出再入轨迹振荡抑制器设计的近似解析关系,进一步完善了基于平衡滑翔的数值或解析预测-校正再入制导方法,仿真验证表明该方法能够有效抑制再入轨迹的沉浮振荡。     

航天飞机再入大气轨道分析

本文根据航天飞机再入大气轨道的运动方程,求出了升阻比为常值条件下的数值解。着重研究了改变升阻比和再入角对再入轨道的影响。并将精确数值解与近似解进行比较。此外,文中还估算了作用于航天飞机的最大热流。     

同伦方法及飞机非线性平衡状态确定

运用同伦方法的基本思想研究飞机非线性平衡状态的求解。首先给出不同伦微分方程组的构造方法及解曲线跟踪算法的实现方法，然后针对目前典型同伦算法的不足，给出一种新的同伦算法。并对飞机运动的六自由度非线性方程组平衡解的实例计算，证实这一算法的可行性和有效性，以及在速度和精度上较之某些传统方法的巨大优越性，成功地克服了工程实际中非线性方程传统解法通常存在局部收敛的局限性。     

具有碰撞角约束的三维圆轨迹制导律

 针对再入飞行器带碰撞角约束的导引问题,设计了一种新型三维(3D)制导律。改进并扩展了圆轨迹导引算法,定义了2个圆轨迹跟踪误差变量。通过对导引任务的分析,提出闭环修正导引方法。在此基础上,对再入飞行器制导过程的动力学方程进行解析推导,设计出能适应再入飞行器速度大小变化的三维闭环圆轨迹制导律(3CCGL)。数学仿真结果表明:此制导律能导引再入飞行器沿终端约束方向精确命中目标;同已有算法相比,该制导算法优势明显,其导引的飞行路径短,终端碰撞速度大,并能实现大角度转向攻击,大幅提高再入飞行器的末段机动能力。     

导弹运动方程的逆解析解

针对在采用反馈线性化理论设计导弹飞行控制系统时控制器算法对导弹逆模型的要求 ,推导了导弹运动方程的逆解析解 ,包括导弹质心运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解、姿态运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解 ,详细给出了逆模型的求解过程 ,为一类飞行控制系统运用全局线性化设计奠定了基础。最后 ,结合工程应用进行了仿真计算 ,仿真结果表明逆解析解的推导是正确的     

喷注壁面外掠平板层流边界层速度和温度的HPM-Padé解析解

运用HPM-Padé(同伦摄动-帕德逼近)法导出了当喷注流体速度与距平板前缘距离的平方根成反比时,不可压缩常物性流体外掠平板层流边界层内无量纲速度和无量纲温度解析表达式,无量纲流函数1阶导数的HPM-Padé解析解与4阶龙格库塔法的数值解结果一致.利用HPM-Padé解析解研究了喷注系数和流体Prandtl数对速度和温度分布的影响.结果表明:Prandtl数越大,温度边界层越薄,壁面温度梯度越大;喷注系数越大,速度边界层厚度和温度边界层厚度越大,壁面速度梯度和壁面温度梯度越小,壁面喷注对平板有隔热作用;当喷注系数为0.619时,壁面的速度梯度和温度梯度为零,高温来流向壁面的传热被喷注流体完全阻隔.     

轴系非线性振动解析模型研究

针对高速柔性轴系振动中线性与非线性的耦合作用，定义了非线性尺度因子ε，构建了轴系振动耦合作用模型.该模型拓展了经典线性模型的研究思路，重点探讨轴系的非线性响应.应用多尺度法推导了转子非线性振动的通频解析解的Fourier级数形式，同时给出了非线性固有频率和基频近似频响方程（FRE）.通过实验验证了同尺度条件下（ε=1），通频解析解及基频近似频响方程的非线性特性，以及解析耦合振动模型与通频解析解的合理性和有效性.      

飞行器再入机动制导的一种新方法

基于飞行力学的原理，建立了飞行器攻击地面目标的运动方程，进而运用计算结构力学与最优控制的相似性原理，将求解Ｒｉｃｃａｔｉ方程的一种新方法引入飞行器再入机动制导问题中。由于采用的是结构静力学中的子结构消元法，从而避免了本征值问题的求解。该方法大幅度地提高了计算速度，同时具有很好的数值稳定性，计算结果表明该方法的有效性。     

一种设计亚音速叶型的解析方法

本文在近似于势、流函数的正交面上采用解析方法进行亚音速叶型设计。将改写后的无旋条件与连续方程联立求解,可在计算面上将叶型设计问题用标准拉普拉斯方程来表示。这一方法的优点是在流场计算中用解析解取代数值迭代计算过程,求解简便,节省计算机时,并为从理论上分析各种不同叶型的设计特性提供了便利条件。文中提供的算例表明,方法是有效和可行的。      

特征趋势分区Gauss伪谱法解再入轨迹规划问题

针对强约束下的滑翔再入轨迹规划问题,采用基于特征趋势分区的Gauss伪谱法将连续最优问题转换为多个并行非线性规划问题并对其进行求解。针对传统拟谱方法在处理状态受限时,非平滑最优控制解难以收敛的问题,引入Sobolev空间证明了分区并行的收敛性和一致性。基于Letts准则提出了非连续特征趋势提取方法,通过分析离散点配置导数进行了可变分区的迭代设定,并结合导数变化趋势给出了各分区的动态配点数。利用不同阶次的多项式进行精度逼近,保证了在考虑多项强约束条件下弹道规划的可行解获取。结合状态分区的策略进行离线状态的分解,提高了计算效率。最终针对典型的再入应用进行了轨迹规划应用。仿真结果表明,所提出的方法可有效应对多种约束条件,能够根据飞行器的气动能力规划出可行的轨迹,过程条件满足约束,且可适应气动力20%的拉偏范围。     

单圆盘转子非线性振动模型及机理

根据转子非线性振动的力学性质及大变形假设,结合工程实际构建了转子非线性振动具有Duffing方程形式的力学模型,推导了非线性系统的等效频率和频响方程,研究了刚度元件、阻尼元件与非线性元件对系统振动的影响.通过单圆盘转子非线性振动实验,验证了非线性振动模型结构与Duffing方程求解及频响方程的合理性与有效性,揭示了共振、突变、滞后等非线性现象的机理,为转子振动特性分析提供了一种新的研究方法.      

可重复使用运载器预测-校正再入制导研究

研究了可重复使用运载器的预测-校正再入制导方案。通过对运动方程积分预测飞行器在能量管理段界面处的终端状态,实时调整迎角和倾侧角方案,以使终端状态误差满足要求。对预测-校正算法的实时性问题进行了分析,并给出了解决方案。仿真结果表明,对于不同的初始再入条件,制导方案都可以将飞行器导引到能量管理段界面。     

非零压差边界下间隙流动雷诺方程近似解析解

为了获得间隙密封、滑动轴承等的液膜压力分布解析表达式,将间隙流动雷诺方程的解析解表示为特解和通解之和,其中特解表示为周向坐标函数和轴向坐标函数之和,通解表示为周向坐标函数和轴向坐标函数之积,结合分离变量法和非零压差边界条件,推导获得间隙流动雷诺方程的近似解析解。基于近似解析解计算间隙密封的液膜承载力和偏位角等参数,并与采用有限差分法的计算结果对比,其中液膜承载力偏差小于5%,偏位角偏差小于3°,而计算效率提高了数百倍。      

纤维增强复合材料币状I型裂纹桥联问题

利用平面等效方法，将轴对称币状裂纹问题转化平面裂纹问题，由此给出复合材料内币状Ⅰ型裂纹的桥联积分控制方程。对权函数法应用于求解币状裂纹问题的可行性提出质疑，并给出修正的建议。然后对币状Ⅰ型裂纹桥联问题给予了断裂力学分析。利用一种新的分段插值方法求解了桥联积分控制方程。针对该积分程提出了一种近似分析解法，其结果与数值结果符合得相当好。     

一种关于静压气体轴承节流孔系数的计算方法

基于层流边界层方程的分离变量算法和雷诺方程的解析算法，提出了一种关于单节流孔静压气体止推轴承的节流孔系数的计算方法。该方法通过比较层流边界层方程计算获得的气体轴承的质量流量和雷诺方程计算获得的质量流量计算获得了节流孔系数。将计算获得的节流孔系数和节流孔系数为常数0.8代入单节流孔气体止推轴承的雷诺方程中，计算获得的承载力与分离变量算法求解层流边界层方程获得的承载力进行对比，可以发现，相对于采用节流孔系数为0.8来说， 采用该计算的节流孔系数求解雷诺方程的承载力与分离变量算法求解获得的承载力结果精度最大提高了8%。从而验证了该计算节流孔系数方法的正确性。      

不同再入高度下高超飞行器流场数值仿真

基于轴对称N-S方程和7组分18化学反应对20~90 km再入高度下RAMC-Ⅱ飞行器周围流场进行数值模拟,并对算法进行验证。计算了电子密度分布,同时给出了不同再入高度下的碰撞频率、平均温度及总压强分布。通过分析得出电子密度随再入高度的增加先增加后减小,同一再入高度下电子密度沿轴向方向减小,沿着垂直于飞行器表面方向符合高斯分布。最大碰撞频率随着再入高度增加而减小,同一再入高度下沿轴向方向减小。同一再入高度下最大平均温度沿着轴向距离逐渐减小。最大总压强随着再入高度的增加而减小,同一再入高度下最大总压强沿着轴向距离逐渐减小。      

受多种约束时航天器再入走廊的计算分析

给出了一种求解同时受升力、气动加热（率）和动压约束时，航天器再入走廊的近似计算方法。文中采用格林函数法，导出了再入过程中三种典型约束（气动加热率、升力和动压）条件之间关系的近似定量描述，在该三种约束取极限的条件下求得了再入走廊的上下边界。文中还介绍了上下边界近似解及相应控制规律的结构。