基于输出预测的姿控发动机控制律优化设计

针对带有侧向喷流姿控发动机和尾部气动舵的导弹,建立了系统动力学模型和运动学模型,并对模型进行了分析和简化;考虑到侧向过载输出响应快速性的要求,采用侧向喷流发动机提供姿态控制力矩快速建立过载。基于侧向喷流发动机的工作特点,采用Fliess展式得到侧向过载输出的预测和侧向喷流发动机推力放大因子的估计,并以此为基础,提出了以侧向喷流发动机为执行机构的姿态控制律优化设计方法,实现了对侧向过载的快速跟踪。仿真结果说明了所提出方法的有效性。     

动能拦截器姿轨控发动机开关机控制规律设计

研究了动能拦截器轨控发动机的变推力实现方案,重点设计了姿轨控发动机的开关机控制规律,并通过拦截过程仿真,对所设计的控制规律进行了验证。仿真结果表明,姿控系统可以达到很高的角度控制精度,轨控系统可以控制拦截器与目标直接相撞。这说明所设计的姿轨控发动机开关机控制规律是有效的。     

横向喷流对鸭式导弹滚转特性影响研究

通过数值方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,对导弹横向喷流的干扰流场进行了数值模拟,计算结果与实验数据吻合较好,基本验证了计算方法在横向喷流复杂流场数值模拟方面的有效性。在此基础上,对固定尾翼鸭式布局导弹亚、跨、超声速流场进行了数值模拟,并且计算分析了横向喷流对鸭式布局导弹滚转控制特性的影响,计算结果表明,横向喷流可以有效提高鸭式布局导弹的滚转控制能力。     

矢通量分裂隐式有限体积法解超音速喷流强干扰流场

发展了用于轴对称流场,任意非正交曲线网格下的矢通量分裂隐式有限体积法;统一了二维和轴对称流场计算的表达式。该方法对粘性通量项进行了分解和归类,考虑了包括交叉导数项在内的所有项对隐式增量的贡献。对带中心喷流的流动计算表明该方法收敛速度和计算精度均优于ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式。横向喷流强干扰流场的计算初步揭示了姿控发动机喷流产生间接推力的机理,由此,设计中可降低对主发动机额定推力的要求     

敏捷导弹六自由度动力学建模与仿真

研究了敏捷导弹六自由度导弹动力学建模和仿真问题，首先给出了用于拦截器的姿控脉冲发动机和用于空空导弹敏捷转弯的反作用喷气控制系统的力学模型，然后给出了带干扰（包括风的干扰）的具有大迎角大姿态机动能力的敏捷导弹的六自由度动力学模型，最后利用上述模型对先进空空导弹的越肩发射进行了仿真，并给出了部分结果。该模型除了可以进行一般的导弹动力学仿真外，尤其适用于空空导弹敏捷转弯（含越肩发射），高空弹道导弹拦截器的大姿态机动等的仿真计算。     

固体火箭发动机燃气科氏加速度的影响分析

采用理论分析和试验验证相结合的方法,揭示了过载条件下固体火箭发动机横向过载产生的原因,分析了燃气科氏加速度的影响因素。结果表明,发动机的横向过载是燃气科氏加速度和导弹法向牵连加速度综合作用的结果;燃气科氏加速度与导弹转弯半径呈反比例关系,与导弹速度和燃气速度呈正比例线性关系。地面模拟旋转过载试验结果表明,横向过载将引起Al_2O_3粒子向发动机局部聚集,造成该部位烧蚀加剧,引起喷管收敛段局部烧蚀增大;由于科氏加速度的存在,导致发动机的实际横向过载方向偏离发动机牵连加速度引起的横向过载方向,造成喷管局部烧蚀增大的方向与离心过载方向呈一定的环向偏转角度。     

超声速侧向多喷流干扰特性数值模拟

为了研究多个喷流喷管对导弹控制力的干扰影响,本文通过数值求解N-S方程来模拟超声速外流场中横向喷流的干扰流场,采用分块对接网格和"O"型网格技术,精确模拟喷口截面及弹翼形状,生成高质量的贴体计算网格。通过对多种喷管控制组合的超声速横向喷流干扰流场的数值模拟,研究和分析了喷口附近流场的涡系结构和波系结构,并将喷管几种排列组合对导弹喷流干扰力放大因子的影响进行了分析研究,得出一些多喷流干扰的结论。     

姿控脉冲发动机点火逻辑优化控制算法

针对拦截弹末制导姿控脉冲发动机组合点火问题,利用吱呀轮优化(SWO)的导向式快速搜索特点,提出了一种基于SWO的点火逻辑优化控制算法。在分析脉冲发动机数学模型和点火控制约束条件的基础上,将脉冲发动机的组合点火问题转化为任务调度问题,并与贪心算法和遗传算法进行比较。仿真结果表明,该算法能够满足控制精度和实时性要求。     

带有横喷控制的导弹非定常流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发,采用NND2M差分格式,对带有脉冲发动机作为横向喷流控制系统、X型尾翼布局、飞行马赫数M∞=6.0、攻角α∈[-10°,10°]的导弹外流场进行数值模拟,研究了发动机非定常工作过程对导弹气动力动态特性的影响;计算表明喷口位于背风区时喷流影响较小,喷口位于迎风面时气动力变化较大,压心明显前移.     

大气层外拦截器单轴定向姿态控制律

针对单轴定向大气层外拦截器设计了一种姿态控制律。拦截器简化为轴对称刚体,利用安装在弹体尾部的“＋”形组合六喷嘴发动机提供控制力矩。由于姿控系统难以同时进行偏航和滚动控制,根据拦截器单轴定向体坐标系不唯一的特点,通过合理选择目标坐标系实现了偏航和滚动通道的分时控制。设计了姿控发动机开关控制律．分析了系统在控制律作用下的稳定性并进行了仿真验证。     

双锥侧向喷流的数值模拟研究

利用侧向喷流进行导弹姿态、轨迹控制是近年来导弹空气动力学前沿热点问题之一。要成功地设计以侧向喷流控制为基础的导弹,必须分析喷流与来流干扰对气动性能的影响。本文采用AUSM 上风格式空间离散三维可压缩非定常NS方程组,数值模拟了双锥侧向喷流干扰流动。将表面压力分布与文献中试验值、计算值进行比较,给出了干扰流场结构,分析了喷流干扰对双锥气动力、力矩的影响。     

侧向控制喷流干扰流场特性数值研究

侧向喷流是导弹在中高空进行姿态控制的重要手段.本文用数值方法求解N-S方程,模拟了二种带侧向喷流控制的喷流与绕流的干扰流场.通过定性流场结构和物面压力分布与实验结果的比较,数值模拟能较好地模拟侧向喷流与外流干扰产生的复杂流场特性.给出了合理的流场结构和干扰气动力特性,表明数值方法可以作为型号侧向喷流控制设计的研究手段.     

高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

空空导弹大角度姿态反作用喷气控制

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹初始段敏捷转弯方法,研究了装有反作用喷气控制系统的空空导弹的大角度姿态过失速机动控制律。反作用喷气控制系统用来提供大角度敏捷转弯时大攻角飞行的控制力矩。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看作快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律,利用滑动模态方法设计了快子系统控制律,在该控制律作用下,导弹闭环系统不仅是稳定的而且其动态品质也可以得到保证。分析了控制系统的鲁棒性,结果表明所提控制方法能够有效消除空空导弹大角度姿态机动时转动惯量变化以及各种力矩干扰的影响。最后给出了一个实例来说明姿态控制在空空导弹敏捷转弯中的应用。     

超声速和高超声速横向喷流数值模拟

为了解横向喷流的干扰影响和喷口附近的流场结构,采用分块对接网格和“0”型网格技术,数值求解N—S方程来模拟超声速和高超声速流场中横向喷流的干扰流场。对两种尖拱弹身外形的超声速和高超声速喷流干扰流场进行了数值计算,计算结果与风洞实验数据吻合一致。在此基础上,开展了某型导弹多喷构型干扰流场的数值模拟,得出一些横向喷流数值模拟的结论。     

姿控式直接侧向力与气动力复合控制策略设计

针对自旋导弹直接侧向力与气动力复合控制问题,提出一种分阶段复合控制策略,该策略充分考虑了直接侧向力离散控制和空气舵连续控制的特点,将弹体迎角和侧滑角响应过程分为上升段和保持段以实现快速精确跟踪。上升段考虑固体脉冲发动机的快响应特性,利用整数线性规划(ILP)得到了需要开启的脉冲发动机数量,产生直接侧向力控制导弹快速建立迎角和侧滑角。保持段则基于动态逆控制和自抗扰控制技术,通过空气舵控制迎角和侧滑角稳定在期望值,以克服侧向喷流干扰效应和大迎角飞行带来的非线性耦合的影响。仿真结果表明,依靠直接侧向力与气动力的分时串联作用,可以有效地抑制复合系统的外扰和模型不确定性的影响,显著加快拦截导弹的过载响应速度。     

侧向多喷流流场数值研究

为研究侧向喷流对高超声速拦截弹喷流直接力控制性能的影响，发展了在有限体积离散方法框架下的三维非定常N—S方程，采用LU—SSOR隐式时间推进格式和残值项空间迎风型格式求解技术，对大气层内高超声速拦截弹多个姿态控制喷流发动机同时工作时的干扰流场进行了数值求解。计算给出了自由流与侧喷流、侧喷流与侧喷流之间复杂干扰流场结构图(等压云图、等马赫云图)以及喷流附近的压强分布，其结果与单一侧向喷流流场情况进行了比较和分析。结果显示，喷流前的压强场基本不受后喷流的影响，处于前喷流尾流区后的喷流的干扰效率将受到较大影响。     

非对称投弹及非对称挂载补偿控制技术研究

针对战斗类飞机非对称投弹和非对称挂载这类情况,分析了投弹时横向扰动及纵向机动时横向耦合的机理,描述了其对飞行安全的威胁;通过引入所投弹质量、位置以及飞机法向过载,设计了非对称投弹/非对称挂载补偿控制律.仿真验证结果表明:该补偿控制律可消除上述两种情况下的横向扰动,有助于非对称投弹时飞机状态的保持,更重要的是提高了非对称挂载情况下着陆的安全性.     

Dynamics and autopilot design for endoatmospheric interceptors with dual control systems

The nonlinear system model of an endoatmospheric missile whose attitude is controlled by tail fins and reaction jets is presented. By choosing the divert accelerations and rotational rates as output variables, the internal dynamics of the nonlinear system are derived and are proved to be bounded under a bounded input. The blending principle of the reaction jets and tail fins is addressed to ensure that the normal acceleration is principally maintained by angle-of-attack or sideslip angle. An autopilot is designed by using the feedback linearization technique. Results of a numerical simulation of an autopilot design example show the effectiveness of the proposed blending principle and the autopilot design.