MF-1飞行试验弹道差异分析及弹道重建研究

MF-1作为我国的首次高超声速空气动力学基础问题研究模型飞行试验项目,真实飞行取得了圆满成功。但是其无控飞行弹道与设计弹道之间还是存在较明显偏差,本文首先对于MF-1实际飞行试验弹道与设计弹道之间的偏差原因,通过理论分析和弹道仿真开展了研究,结果表明风场偏差和气动力偏差可能是导致MF-1飞行弹道与设计弹道差异的最主要因素。然后,基于飞行实测的过载角速率数据和外弹道测量数据对MF-1飞行弹道进行了重建,得到了包括迎角、侧滑角在内的完整可靠的弹道数据。研究还表明,风场对迎角、侧滑角的准确估计有显著影响,应尽量提高风场测量的实时性和准确性。     

MF-1模型飞行试验结构与热防护关键问题研究

MF-1是我国首次以高超声速空气动力学基础问题研究为目的的航天模型飞行试验,试验模型为锥-柱-裙体,主要研究0°攻角圆锥边界层转捩和压缩拐角激波/边界层干扰现象。试验飞行器的结构与热防护系统,既要满足飞行安全的基本要求,又要满足转捩研究对表面精度的特殊要求。针对超大尾翼的变形控制要求,将"#"字形加强筋结构优化为"米"字形,有效抑制了尾翼的最大变形量和颤振的发生;针对4片尾翼安装偏角的控制要求,通过尾翼安装面工艺改进和安装偏角正负抵消的办法,确保了总安装偏角(代数和)小于7′,有效抑制了弹体滚转;针对表面精度控制要求,提出弹体结构/薄壁测温模块一体化设计与二次精加工方案,有效抑制了测温模块对边界层流动的干扰。地面测温组件热振联合试验、尾翼/尾段静力试验和试验模型振动试验结果表明,MF-1模型飞行试验结构与热防护系统安全可靠。飞行试验结果表明,MF-1模型飞行器结构与热防护关键问题的解决措施基本成功,但试验模型头锥与前舱连接同轴度偏差导致部分子午线出现台阶超差,从而诱导了部分子午面出现强制转捩现象,凸显了表面精度控制对边界层转捩研究的重要性。     

Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术

为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。     

高超声速飞行器碳基头锥烧蚀外形计算

高超声速飞行器头锥部位的烧蚀外形会影响飞行器的升阻比和飞行器的稳定性,烧蚀外形的准确评估对于长时间滑翔式飞行器的综合设计具有重要意义。本文介绍了头锥烧蚀外形计算方法,基于该方法对飞行器头锥烧蚀外形进行了仿真研究,某飞行器头锥烧蚀的仿真结果与试验结果吻合良好。对比了飞行器进行俯仰运动和滚转运动时的烧蚀外形,总结了烧蚀外形随飞行状态变化的演变规律,俯仰运动影响头锥迎风面和背风面的烧蚀量,滚转运动影响头锥烧蚀位置。     

碟形飞行器李雅普诺夫优化控制器设计

针对一类简单控制器实现的碟形飞行器变质量矩/推力矢量复合控制系统,通过转换,建立了关联控制系统,并基于李雅普诺夫优化设计方法,对碟形飞行器的控制器进行了设计。最后,将此控制方法应用于碟形飞行器全弹道飞行试验进行仿真。仿真研究表明,与传统的静态控制器设计方法相比,这种方法显示了巨大的优越性。     

基于翼面压力的飞行器气动力感知技术与自由飞验证

飞行器在大迎角飞行状态下其复杂绕流流动会导致非指令运动出现,严重影响了飞行器的操纵性与飞行安全。现有以惯性元件为核心的机载设备无法直接提供非定常气动力参数,而如何实时感知飞行器大迎角状态的非定常气动力/力矩,是抑制非指令运动现象的核心所在,将是未来战机设计中亟待解决的空气动力学和飞行控制的关键问题之一。针对上述问题,提出基于翼面压力信息获取特征截面滚转力矩系数C_lsec,估算飞行器全机在大迎角状态下的非定常气动力矩,进而判断飞行器的滚转运动的设想。风洞和飞行试验研究结果表明：对于80°/48°双三角翼,0.8c特征截面滚转力矩系数C_lsec与模型滚转力矩存在相关性;在飞行器进行大迎角平飞动作时,非指令滚转运动下的滚转力矩系数C_lsec大幅增加;C_lsec能够比惯性传感器提前预测模型的滚转运动趋势,可为飞行器大迎角状态的非指令运动抑制提供一定数据依据。     

增程飞行器高超声速飞行的动态特性

研究了增程飞行器高超声速飞行时的动态特性.短程导弹和火箭弹等高超声速飞行来源于增程的实际需要,从超声速到高超声速飞行所遇到的主要飞行动力学问题是,尽管在增程前低超声速时具有良好稳定性,但在高超声速飞行中会丧失稳定性并导致复杂的锥动.通过飞行和风洞实验表明:高超声速飞行时增程飞行器固有的横侧向稳定特性丧失,带有弱滚转阻尼的不稳定荷兰滚振荡将导致滚转-偏航耦合,此外还存在由耦合导致的轻微不稳定拟周期模态和滚动共振.     

滚转振荡指标在再入无人飞行器上的应用研究

深入研究了飞行品质规范中滚转振荡指标的物理意义,探讨了以侧滑相位描述滚转振荡指标的机理,分析了影响滚转振荡指标边界的三个因素。针对再入无人飞行器各飞行阶段,分析了滚转振荡指标的适用性。最后,基于方向舵交叉控制可以减小滚转速率振荡幅值比的控制策略,针对再入无人飞行器对滚转振荡指标的边界进行了初步拓展,为再入无人飞行器飞行品质指标的制定提供了一种思路。     

再人体滚转共振与小不对称气动力

本文综述了再入体滚转共振的飞行力学和气动力学问题;分析了再入体的攻角发散机理,指出滚转共振是再入体攻角发散的主要危险。文中着重叙述了再入体滚转共振和小不对称气动力问题的研究结果和存在问题。     

基于能量的飞机横侧向控制方法研究

结合偏差控制与总能量解耦思想,将总能量控制原理应用于飞机的横侧向控制,实现了滚转与偏航模态解耦及偏航角、侧滑角的无稳差控制。对某型运输机典型飞行状态进行了横侧向解耦控制律设计和仿真,仿真结果表明,基于飞机纵向总能量控制同样能用于飞机的横侧向飞行控制,较好地实现了偏航角和侧滑角的信号跟踪及滚转与偏航模态的解耦。     

基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究

吸气式高超声速飞行器爬升弹道设计是其总体设计的一个重要问题。这里提出一种基于高斯伪谱法的弹道优化方法,用于解决该问题。以末端弹道倾角为性能指标,飞行攻角为设计变量,建立了飞行器纵平面弹道优化模型。通过高斯伪谱法对状态变量和控制变量进行离散,将最优控制问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法对其进一步求解。仿真结果表明,该方法收敛域大,对初值不敏感,设计精度高,是吸气式高超声速飞行器方案弹道优化的重要方法。     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动。为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明：可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度。     

某典型飞行器模型俯仰/滚转两自由度耦合动态气动特性

先进飞行器在大迎角高机动飞行过程中,气动力复杂演化与运动姿态剧烈变化的相互作用,容易诱发俯仰拉起的滚转或侧偏等耦合运动,呈现出十分强烈的多自由度动态气动力特性。为此,选取某典型四代机修型设计模型,利用FL-26风洞专用的俯仰/滚转两自由度动态试验装置,开展了单自由度和俯仰/滚转两自由度耦合运动的动态气动力特性研究。结果表明,研究模型在迎角30°左右会出现滚转单自由度的侧偏和小振幅摇滚运动现象;俯仰单自由度振动条件下,模型法向力和俯仰力矩会出现明显的气动迟滞特性;在强迫俯仰/自由滚转（或强迫滚转）两自由度耦合运动情况下,模型的侧偏运动幅值得到了一定的抑制,但纵横向气动力都出现了迟滞现象,甚至是多个气动迟滞环结构,容易引发耦合失稳发散。     

MF-1模型飞行试验表面压力与温度测量技术研究

MF-1是我国首次以高超声速空气动力学基础问题研究为目的的航天模型飞行试验,试验模型为锥-柱-裙体,主要研究0°迎角圆锥边界层转捩和压缩拐角激波/边界层干扰现象。针对飞行试验转捩区测量需求,引入和改进了风洞试验中常用薄壁测热技术,设计了一种新型变厚度薄壁测温结构,有效抑制了侧向导热损失,可基于一维热流辨识方法获取可靠的表面热流数据;与现有风洞试验薄壁测热技术相比,该方法可提高有效测量时间,降低时间延迟效应,适于长时间飞行试验测量。针对柱-裙压缩拐角激波/边界层干扰区压力测量需求,采用了风洞试验中常用的基于引压管和电子压力扫描阀的测量方案,通过改进装配工艺,提高了系统耐压能力,实现了模型飞行试验全弹道表面压力测量。模型飞行试验结果表明:MF-1模型飞行试验测量系统可靠,获得了可供边界层转捩和激波/边界层干扰研究分析及CFD验证的可信数据;在热流急剧下降时一维热流辨识存在较大误差,以及压力测量中的时间延迟和低压测量准确度存在不足,是需要进一步改进的问题。     

滑翔飞行器弹道规划与制导方法综述综述

滑翔飞行器以其突出的机动突防能力、高精度打击以及全球快速可达等优势成为当下航空航天领域研究热点。作为控制飞行器可靠执行既定飞行任务的核心部分,弹道规划与制导方法是关注的焦点。概述当前滑翔飞行器弹道规划与制导方法,尤其是基于标准剖面和基于预测校正思想的弹道规划与制导方法的研究现状。进一步,分析当下滑翔飞行器弹道规划与制导方法的研究热点与难点,并结合人工智能,对滑翔飞行器弹道规划与制导方法未来可能的发展趋势进行了展望。     

中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

飞翼布局飞行器有望依靠射流主动流动控制技术实现无舵面飞行以改善隐身特性，但鲜有针对中等展弦比（3～4.5）战术级飞翼的相关研究。本文为中等展弦比飞翼布局无人机设计环量控制激励器取代传统副翼，开展全机数值模拟和飞行试验研究，探究后缘环量控制射流的滚转控制能力。数值模拟使用压力入口边界并考虑射流动量贡献的气动力，实现对飞翼绕流和激励器内流耦合模拟和整机气动特性预测。数值模拟研究表明，射流的滚转控制能力随射流动量系数线性增长，且未产生显著的横航向或横纵向耦合力矩。飞行试验结果表明，环量控制激励器实现了平均滚转角速率25.5～26.7 （°）/s，最大滚转角速率40.1 （°）/s，最大滚转角83.9°的控制效果。     

高超声速飞行体亚密湍流尾迹RCS特性的相似规律研究

再入或临近空间高超声速飞行器在大气层中飞行时,会形成等离子体绕流和尾迹,将严重影响飞行器的电磁散射特性,从而使得临近空间高超声速飞行器表现出与大气层内常规飞行器和大气层外轨道飞行器在电磁散射特性上的明显不同,对飞行器的探测、跟踪带来新的挑战。弹道靶是高超声速飞行器尾迹电磁散射特性研究的重要设备,为了由弹道靶试验结果外推出真实飞行条件下亚密湍流尾迹的RCS,本文从高超声速流场模拟的双缩尺率和亚密湍流尾迹RCS模拟的Born近似出发,推导出真实飞行条件下和地面弹道靶试验之间亚密湍流尾迹RCS模拟的一种相似规律,推导结果显示当D1/D2=η,V∞1=V∞2,ρ∞1/ρ∞2=1/η,ω1/ω2=λ2/λ1=1/η时,雷达散射截面服从σ1/σ2=η4的相似规律。推导出的相似规律可以为超高速飞行器亚密湍流尾迹RCS研究提供技术支持。     

再入飞行器的鲁棒设计技术研究

本文将鲁棒最优设计技术应用于再入飞行器被动式滚转控制问题，分别建立了二次滚转共振和滚转过零问题的鲁棒设计定义和数学模型，通过对关键小不对称量（如ｒｃｇ，Ｃ１０，Ｃｍ０）的容许偏差的限制，确保二次滚转共振和滚转过零概率在设计者期望的范围之内。本文给出了一个实际的设计例子，并用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ随机抽样方法进行验证。结果表明，本文的思路是正确的，方法是可靠的。     

再入机动飞行器的控制系统设计

基于再人机动飞行器机动控制特点，设计了两种反馈结构——过载反馈和姿态角反馈的姿控系统．并从输入反馈信号构成、系统回路设计、反馈系数确定及飞行弹道仿真结果等方面，对两种形式的姿控系统进行了比较。结果表明．过载反馈系统在再人机动飞行器的飞行控制中效果较好。     

吸气式重复使用运载器弹道仿真研究

在对国内外吸气式可重复运载器的发展现状进行了分析后,建立了吸气式重复使用运载器动力学模型、地球模型以及大气模型等数学模型;建立了空天飞行器的弹道仿真系统。并以某吸气式重复使用运载器为研究对象,利用MATLAB编写程序,进行了飞行弹道的模拟仿真。仿真试验表明,计算方法及相应的仿真系统是合理可行的,可应用于吸气式重复使用运载器可行性的评价。