一种极坐标系升力式再入六自由度仿真模型

建立了升力式再入飞行器在极坐标系下的六自由度模型。首先,定义了建模所需坐标系及转换关系;然后,建立了极坐标系下的升力式再入质心运动方程以及面对称飞行器在体坐标系下的转动方程,并利用坐标转换关系建立欧拉角转换辅助方程;最后,对欧拉角关系、开环六自由度进行了仿真验证。仿真结果表明,该模型可为同时关注位置变量和速度变量的升力式再入飞行器的飞行力学问题研究,如六自由度的轨迹优化、制导控制一体化设计等提供模型参考。     

Weissman准则在升力式再入飞行器设计中的应用

针对升力式再入飞行器的气动特性和控制方式,分析了将传统Weissman判据推广应用到升力式再入飞行器设计中面临的一些主要问题。由赫尔维茨稳定性定理推导了采用反馈控制的滚转反逆准则的计算形式,并以HL-20飞行器为对象,采用非线性仿真和Kriging建模方法,实现了对Weissman图不同稳定性敏感区域的划分。仿真分析表明,升力式再入飞行器对应的Weissman图与传统航空飞行器存在明显不同,可以将其推广应用到升力式再入飞行器设计中。     

升力式再入飞行器离轨制动研究

针对一种升力式再入飞行器———通用航空飞行器进行全球攻击时离轨推力的控制和相应的下降轨道特点,对其再入角的选择等关键技术进行了深入分析,最终得到了依据远地点半径和可施加的Δv的范围来确定最优离轨推力角和下降椭圆轨道的有工程意义的结论。在此基础上进一步分析了切线制动和非切线制动的再入轨道特点,同时依据已知条件得到了再入角的最佳控制范围。所得结论亦可用于一般升力式再入飞行器初步轨迹的设计。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

带控制舵椭圆截面飞行器的气动设计

非圆截面弹身布局在高超声速再入飞行器的机动能力、隐身特性、飞行性能和毁伤效能等方面具有许多潜在的优势,是当前飞行器设计的一个重要发展方向。本文进行了带舵的钝头椭圆截面双锥体的气动布局设计,进一步发展了快速有效的高超声速气动力工程预测方法,并将带舵椭圆截面双锥体的气动特性与带舵圆截面双锥体的气动特性进行了比较。研究表明,带舵的椭圆截面弹身布局方式可以获得较高的配平升力、配平升阻比及配平攻角,利用质心运动和控制舵偏转的综合控制可以获得更高的配平效率,是高超声速飞行器实现大升力、大升阻比飞行的潜在可行方案。     

升力式再人弹道拉起段近似解研究

针对现有方法在求解升力式再入弹道拉起段时的不足,考虑再入平面动力学模型中的引力项、离心力项的影响,推导了拉起段的速度、高度、航程变化量的近似解.通过与数值仿真校验和现有方法的对比,验证了近似解在估计精度上的改善效果.研究结果可用于升力式再入飞行器的设计评估与制导算法的设计.     

再入飞行器压心测量方法研究

在常规测力风洞试验中,测量天平可以测量出飞行器的气动力和对飞行器质心的气动力矩,按照常规的压力中心计算方法,求得的压力中心位置为气动力作用线与飞行器纵轴的交点,而不是飞行器真实压力中心的准确位置。针对再入飞行器风洞试验常规压心测量无法反映压心确切位置的问题,通过攻角连续变化和数据实时采集技术对再入飞行器压力中心进行了研究,得到了飞行器压力中心具体位置的测量与计算方法,以及其随攻角变化的变化规律。结果表明,得到的计算方法可以准确得到再入飞行器的压心位置。同时还导出了CN和CA分别对飞行器质心产生的俯仰力矩大小的影响:随着攻角的负向增加,CA对Cm的贡献逐渐增加,CN对Cm的贡献逐渐减小,压力中心实际轴向位置和常规计算值中压力中心和纵轴交点位置的差量逐渐增大,而压力中心的法向坐标值并不大;对于再入飞行器,CA对Cm的贡献很大,不能忽略或简化。     

变质心控制飞行器建模技术及运动机理研究

以单质量块滚转通道变质心控制再入飞行器为研究对象,研究变质心控制飞行器动力学建模技术及其运动机理。基于牛顿力学建模法及多刚体理论建立了变质心控制再入飞行器动力学模型,并对因质量块运动产生的力矩进行了分析。仿真结果表明,由质心偏移引起的附加气动力矩是变质心控制的主导控制力矩,且质量块的不同安装位置及质量比将影响控制性能。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

高超声速再入飞行器的多孔流动控制

针对高超声速再入飞行器流动控制问题,提出一种头部进气、尾部排气的多孔流动控制概念。采用Fluent软件针对高超声速再入飞行器无孔模型、排气孔模型在马赫数为6,高度为25km状态下开展了三维雷诺平均N-S方程(RANS)数值模拟研究。结果表明:排气孔模型阻力系数略有增加,下排气孔(SH-DB)模型产生正的升力系数增量和低头力矩增量,上排气孔(SH-UB)模型产生负的升力系数增量和抬头力矩增量,实现了无活动气动面产生控制力矩的目的,为高超声速再入飞行器复合控制提供了参考。      

面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性，考虑大气密度随高度的变化和引力梯度，建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程，然后获得转移矩阵和特征方程，在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局，并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析，得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度，对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃，即使是牺牲一些射程上的性能，因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

有翼再入飞行器气动外形集成设计优化

气动外形设计是有翼再入飞行器（RV-W）的关键技术之一。分析了气动参数对再入飞行性能的影响,探讨了有翼再入飞行器气动外形设计的规律和准则。基于上述设计准则,以类X-37B飞行器为研究对象,集成几何参数化建模、气动力、气动热、热防护等学科快速分析方法,采用多学科设计优化方法,以最优气动特性为目标对飞行器气动外形进行了优化;得到优化气动外形后,对飞行器热防护系统（TPS）进行了轻量化设计优化。结果表明,优化外形的气动特性相比初始外形得到了较大的提升,设计优化得到的热防护系统重量占比（8.7%）优于同类飞行器的热防护系统重量占比统计数据,说明了本文有翼再入飞行器气动外形集成设计优化方法的有效性,可为同类飞行器提供参考。     

高超声速飞行器再入多段导引方法研究

针对通用航空飞行器(CAV)的再入飞行问题,研究了一种滑翔式再入飞行器的三自由度轨迹快速生成方法。该方法将再入轨迹分为初始下降段、过渡段和占大部分飞行时间的拟平衡滑翔段,引入拟平衡滑翔条件(QEGC),将过程约束转换成倾侧角制导律的上界。结合预测校正方法在线设计满足各种轨迹约束的倾侧角制导律,最后在计算机上进行制导仿真。仿真结果表明,该方法可快速地得到满足过程约束和目标要求的弹道。     

地球轨道再人飞行器最小气动加热外形优化设计

本文研究了地球轨道再入飞行器气动外形优化设计问题。文中选用飞行器再入总加热量为目标函数,考虑再入飞行器纵向气动稳定性能的设计要求,在给定再入重量和约定长细比的条件下,用内点罚函数方法求解满足规定纵向气动稳定性能要求的最小再入加热气动外形。计算结果表明,平头双锥体是一种很有吸引力的地球轨道再入飞行器气动外形,它既可以最大限度地降低再入总加热量和减轻再入防热层重量,又可以有效地提高纵向气动稳定性能。     

有动力空间再入打击飞行器航迹优化

提出了有动力再入打击飞行器的航迹优化方法。基于标准的大气模型、数值的气动模型,考虑地球自转效应,建立了有动力再入打击飞行器的航迹优化模型。将再入航迹分为助推加速段和无动力滑翔段分别优化,从而得到优化航迹。算例表明,该方法得到的航程比最大升阻比航迹增加7.3%。因此,该方法用于有动力再入航迹的优化是有效的、可行的。     

变质心再入飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再入飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再入飞行器的控制系统.仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求.     

高超声速一体化飞行器冷流状态气动特性研究

采用数值模拟和风洞实验方法,对高超声速一体化飞行器缩比模型在发动机关闭以及发动机通流状态下的气动特性进行研究。实验中采用彩色纹影系统对缩比模型飞行器的超声速流场进行显示,并通过六分量应力天平测得了全机的升力、阻力和俯仰力矩,数值模拟气动力系数以及流场特征与实验结果吻合较好,同时分析了飞行器保持静稳定状态下的质心选择范围。结果表明进气道开启之后飞行器升力阻力以及抬头力矩显著下降,但此飞行器配平迎角仍较大。该实验结果验证了数值方法的可靠性并为飞行器构型设计提供了参考数据。     

有动力空间再人打击飞行器航迹优化

提出了有动力再入打击飞行器的航迹优化方法。基于标准的大气模型、数值的气动模型,考虑地球自转效应,建立了有动力再入打击飞行器的航迹优化模型。将再入航迹分为助推加速段和无动力滑翔段分别优化,从而得到优化航迹。算例表明,该方法得到的航程比最大升阻比航迹增加7．3％。因此,该方法用于有动力再入航迹的优化是有效的、可行的。     

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。