反TBM拦截弹杀伤增强器综合设计模型及其应用

针对反战术弹道式导弹(TBM)拦截弹杀伤增强器设计方法中存在的不足,提出了拦截平面内最优合成迎角数学模型,在此基础上建立了拦截弹杀伤增强器综合设计模型.该模型以杀伤增强器参数为输入量,可在设计拦截弹时对其进行可用过载估计与制导精度限制,并通过最优合成迎角控制来近一步增强拦截弹对TBM的杀伤性能.以PAC-3拦截弹及某典型TBM弹头为例进行仿真验证,结果表明采用综合设计模型后PAC-3杀伤概率平均高于原弹约7％,使用该模型对PAC-3杀伤增强器进行优化,优化结果明显提高了PAC-3拦截弹的作战性能.     

反吸气式临近空间飞行器空基拦截弹制导律设计

临近空间高超声速飞行器的出现和应用,为传统防空系统提出了新的挑战。提出了一种反临近空间高超声速吸气式飞行器巡航段空基拦截方案,并设计了基于末角约束比例导引法的中制导律和空基拦截弹复合制导律。仿真结果表明,改进末角约束比例导引法能充分利用拦截弹中制导段过载承受能力,有效地加快了拦截弹达到期望末视线角的速度,改善了中末交班性能;所设计的拦截方案能够对典型机动目标实施有效拦截。     

基于改进协同控制律的多拦截弹控制系统设计

针对多拦截弹协同控制问题,提出了一种基于"领弹-从弹"模式的分布式改进协同控制算法。首先,基于图论理论和分布式网络模式,设计了一种改进协同控制算法,将拦截弹在俯仰通道2个方向的速度分量转化为"从弹"速度和弹道倾角参考指令;其次,在"领弹"飞行状态已知的情况下,采用有限时间干扰观测器和动态面滑模控制律设计"从弹"控制器。仿真结果表明,与传统形式的协同算法相比,该算法对控制指令具有更快的收敛速度,能有效提高多拦截弹控制系统的效率。     

考虑目标安全性的最优协同拦截制导律研究

针对目标和其发射的拦截弹对来袭攻击弹进行协同拦截问题,设计了一种最优协同拦截制导律。建立描述目标、攻击弹和拦截弹三者相对运动关系的模型,引入零控脱靶量对模型进行降阶处理。考虑拦截弹对攻击弹的拦截精度、拦截末端时目标的安全性以及目标、拦截弹的控制能量问题,基于攻击弹-拦截弹零控脱靶量、攻击弹-拦截弹终端横向相对运动速度零控脱靶量、目标-攻击弹零控脱靶量以及目标和拦截弹的加速度,建立了性能指标函数,同时考虑目标和拦截弹加速度的有限性,基于极小值原理设计了最优协同拦截制导律。仿真结果表明,相比目标和拦截弹独立飞行的情况,采用协同拦截制导律,在考虑了目标安全性的前提下,机动性较弱的拦截弹能够以较平直的弹道成功拦截攻击弹。     

越肩发射反导拦截弹复合制导律研究

研究了优化反导拦截弹的越肩发射制导律,实现了对尾追目标的拦截,采用伪谱法和滑膜变结构理论设计了全弹道复合制导规律。利用Radau伪谱法求解以转弯时间最优为指标泛函的最佳转弯规律,通过曲线拟合给出了初制导转弯段的过载指令。选择零控脱靶量作为滑动模态对末制导律进行设计;利用这两种制导律的加速度指令构造了交接班导引律实现弹道的平滑。最后,对载机越肩发射反导拦截弹拦截来袭导弹的反导场景进行了数字仿真,结果表明所设计的复合制导律能够完成反导拦截任务。     

防空导弹任务规划与协同控制技术研究

针对防空导弹拦截群目标的任务需求，提出了多弹协同作战框架。考虑到实际拦截过程中弹目相对速度和角度较大的问题，建立了导弹拦截目标的能力预测模型，以确保分配结果处于导弹攻击能力范围内，并采用了改进的粒子群优化算法进行任务分配。然后为了兼顾协同制导和命中精度的要求，基于弹道成型和偏置比例导引的思想，结合一致性理论，设计了多弹时间/角度协同制导律。最后通过4枚导弹拦截3个目标的典型场景仿真，证明了方案的有效性。     

PAC-3拦截弹六自由度反导建模与拦截仿真分析

针对PAC-3拦截弹拦截战术弹道导弹的特点,进行了六自由度动力学建模,对拦截弹初、中、末制导3个飞行状态分别设计了不同的导引控制策略,并利用面向对象的程序设计方法进行了全弹道拦截仿真程序设计。最后,对惯性再入TBM目标进行了单发/多发拦截弹六自由度拦截仿真,给出了拦截曲线、姿控发动机消耗和可拦截布防区等仿真结果。仿真结果表明,所建立的PAC-3拦截弹反导模型比较准确,可以完成可拦截布防区等仿真分析。     

攻击角约束的拦截弹制导控制一体化设计

针对拦截弹的攻击角约束制导问题,提出了一种基于反演滑模和扩张状态观测器(ESO)的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先,基于弹目相对运动方程和拦截弹的非线性动力学方程,建立了拦截弹IGC模型,设计了ESO估计目标加速度和自动驾驶仪回路的干扰;在此基础上,基于干扰估计值和反演滑模方法,设计了IGC算法获取虚拟控制力矩,同时基于李雅普诺夫理论分析了闭环系统的稳定性;然后,利用动态控制分配技术将所获取的期望控制力矩分配到实际执行机构;最后,通过仿真结果验证了所设计的IGC+ESO算法的有效性。     

针对大气层外目标的双弹协同拦截中制导律设计

论文以大气层外弹道导弹目标为研究对象,考虑拦截弹中段发动机推力固定耗尽关机方式,针对多拦截弹拦截目标问题,提出一种基于零控脱靶量的双弹协同拦截中制导律。在基于零控脱靶量的中制导律的基拙上,以两枚拦截弹的预期拦截点作为协调变量,在两枚拦截弹在零控脱靶量满足末段制导要求情况下,调整两弹的预期拦截点使其一致。分析满足协同拦截的两枚拦截弹的中段初始条件,设计了相应的应对策略。该制导律具有通信负担低,鲁棒性较强的特点。仿真算例表明,所设计的双弹协同中制导律可以有效协调两枚拦截弹实现协同拦截。     

拦截高超声速目标的异类导弹协同制导律

对于多导弹协同拦截高超声速目标的问题,设计了一种具有领弹-从弹拓扑结构的异类导弹协同制导律:配备有高性能导引头的领弹采用改进比例导引法拦截目标;未配备导引头的从弹利用通信手段,采用二阶一致性跟踪算法,对领弹进行跟踪。两类导弹同时命中目标,形成"多对一"的拦截态势。异构型的制导策略可以降低对导引设备的需求,具备较理想的作战效费比。领弹与从弹的弹道均源于改进比例导引法,具有较理想的弹道特性。给出了协同制导律在固定拓扑与切换拓扑下成立的充分条件。算例仿真验证了所提出的制导律能够实现对高超声速目标的协同拦截,具有良好的可行性。     

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

基于零控脱靶量的拦截器轨控发动机优化设计

为提高动能拦截器变轨拦截能力,考虑目标与拦截器相对距离、相对速度等因素,构建了拦截器零控脱靶量、轨控发动机内弹道、发动机质量与尺寸等优化模型,将遗传算法和Powell算法相结合进行轨控发动机不确定性优化设计.应用算例表明,采用优化设计后的轨控发动机,拦截器可修正的最大零控脱靶量至少提高17.9%,不确定性因素的影响更加明确,为动能拦截器总体优化设计提供了参考.      

Guidance and Control of Missile Interceptor using Second-Order Sliding Modes

A new smooth second-order sliding mode control (SSOSM) is proposed and proved for a system driven by uncertain sufficiently smooth disturbances. The main target application of this technique, the missile interceptor guidance-control system against targets performing evasive maneuvers, is considered to demonstrate benefits of this design for a two-loop integration of guidance and flight control systems. The designed guidance-control system performance is verified via computer simulations using a miniature hypervelocity kinetic energy endo-atmospheric interceptor planar model.     

多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术研究

分析了目前高超声速飞行器的发展现状和发展趋势,指出高超武器已经给现有的防空反导武器系统带来极大威胁和挑战。针对高超声速飞行器的拦截问题,分析梳理了相关的技术难点。为保证拦截成功,采用多枚拦截器编队拦截高超声速目标是目前高效可行的技术途径,而多临近空间拦截器自主协同制导控制技术则是关键技术。针对多临近空间拦截器编队攻击自主协同制导控制技术,分别从建模、决策规划、感知、制导、控制以及评估6个方面提出需要解决的关键技术问题。最后对多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术进行了总结与展望。     

离心压气机通流/造型/CFD参数化优化设计集成反问题方法

在自主开发的离心压气机通流/造型反问题设计程序的基础上, 发展了一套离心压气机的通流/造型/CFD于优化设计程序系统下集成的反问题方法, 建立了离心压气机的参数化优化设计平台.采用“试验设计+响应曲面模型+近似优化”的快速优化算法, 对一个10 daN推力级微型涡喷发动机的离心压气机进行了多准则气动优化.结果表明, 这种过程集成的快速优化方法是很有效的.      

不同目标函数参数优化的FOPI直流调速控制

为了提高直流调速系统性能,将直流调速系统速度控制器设计为分数阶PI(FOPI),并与整数阶PI控制特性进行比较。在确定FOPI/PI控制器参数时,根据不同目标函数用粒子群算法对控制器参数进行了优化,并分析了不同目标函数所确定的控制器参数对调速系统性能的影响。仿真表明:FOPI有较好的控制性能。在设计控制器参数时,可根据性能要求选用不同的目标函数优化设计控制器参数。     

基于遗传算法的翼型气动优化设计

采用遗传算法进行跨声速翼型的反设计与阻力和升阻比的优化设计。翼型的反设计达到了设计要求,优化设计后的翼型其气动特性也有显著的改善,这表明了遗传算法应用于翼型气动优化设计的可行性。在优化设计的过程中,翼型由解析函数线形叠加法表示,目标函数和个体的适应值由二维欧拉方程的流场解来提供。     

基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,本文开展了基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

基于环量分布的轴流双级风扇三维数值优化

将通流设计程序和叶片造型程序引入到遗传算法同响应面模型相结合的优化系统中,调用流场模拟软件,搭建了三维轴流压气机叶片的优化平台.该优化技术有四个特点:一是为与现代设计系统相接轨,不同于常见的用纯几何方法生成叶片,采用了传统的反问题设计方法生成三维叶片;二是不同于直接优化几何参数,优化自变量选取了设计中具有物理意义的气动参数;三是针对多级压气机的优化,提出了逐级优化策略;四是在优化过程中引入了直观分析法.算例选取了环量分布作为优化自变量,对某轴流双级风扇进行了以极大化非设计点流量为目标的优化;又对其改型设计进行了以极大化设计点绝热效率为目标的优化.      

跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法

跨声速层流翼型设计须兼顾优良的超临界特性和自然层流特性,因而对设计方法提出了更高的要求。针对现有反设计方法和直接优化设计方法的不足,发展了一种适用于跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法。该方法引入了基于经验的局部流场特征作为反设计目标,翼型性能指标作为直接优化设计目标,然后加权形成了混合反设计/优化设计总目标,并同时考虑了气动和几何约束。优化算法采用基于自适应并行加点技术的代理优化,流动数值模拟采用耦合基于线性稳定性理论的e^N转捩自动判定的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器。针对现代中短程民用客机需求,以NPU-LSC-72613翼型为基准,开展了层流翼型减阻的混合反设计/优化设计。分别将局部目标压力分布、总阻力作为反设计和直接优化设计目标,得到了较好的优化结果,验证了方法的有效性。经过2轮优化结果显示混合反设计/优化设计总目标显著下降。所设计翼型吸力面局部压力分布与目标压力分布基本一致,总阻力下降15.5%;吸力面和压力面层流范围均大于55%倍弦长,激波强度显著减弱,说明所设计翼型同时具有优良的超临界和层流特性。将所设计翼型配置到机翼上,通过三维数值模拟进行校验,结果显示所设计跨声速层流机翼升阻比提高了6.64%,在一定升力系数范围内,气动性能均有显著提高,验证了所设计跨声速层流翼型在机翼设计中的适用性。