基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究

针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题, 研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案. 论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理, 通过对高超声速临近空间飞行器受力分析, 建立了动力学方程; 利用矢量倒数法则推导出空间运动方程; 设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型, 采用卡尔曼滤波进行了仿真验证. 仿真结果表明, 基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.      

考虑随机干扰的高超声速滑翔飞行器轨迹优化

为解决高超声速滑翔式飞行器具有干扰不确定性的再入轨迹优化问题,提出了一种基于广义正交多项式方法的随机轨迹优化数值求解方法。针对随机干扰,基于广义正交多项式方式对其分布进行采样,形成采样空间,而后将每个采样值代入确定性轨迹优化问题中进行反复迭代求解,得出观测值的样本空间,并计算其期望、方差和协方差,估计输出值。以最大纵程为代价函数对具有随机干扰的高超声速滑翔式飞行器最优轨迹进行了数字仿真。仿真结果表明,基于广义正交多项式的随机轨迹优化方法能够有效处理随机干扰对轨迹优化问题的影响,与蒙特卡洛法相比计算效率大大提高。     

高超声速伸缩式变形飞行器再入制导方法

针对高超声速变形飞行器再入制导问题，提出了一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器外形方案，建立了含有展长变形量的气动模型和动力学模型。将该变形飞行器的展长变形量扩展为控制变量，分析了倾侧角、展长变形量和终端航程、高度之间的关系。在此基础上，利用倾侧角和展长变形量在线预测剩余航程和终端高度，通过数值方法校正2个控制量以满足航程约束和高度约束，通过航向角走廊确定倾侧角符号。仿真结果表明:该变形飞行器再入制导方法制导精度高，相比于传统固定外形飞行器终端约束能力更强、轨迹更加平滑，且在扰动条件下具有一定鲁棒性。      

基于ESO的高超声速飞行器解耦控制

针对高超声速飞行器三通道具有强耦合的问题，提出一种基于扩张状态观测器的全通道解耦控制方法。该方法不需要根据耦合项特点设计耦合补偿模型，而是通过设计扩张状态观测器，将高超声速飞行器耦合项视为扰动，利用扩张状态观测器具有实时跟踪估计扰动的能力，将耦合项扰动估计出来。通过补偿控制来消除耦合的影响，从而完成解耦控制。进一步，通过LQR控制方法完成姿态控制系统的闭环反馈控制律设计，最终实现一种工程上实用的高超声速飞行器解耦控制方法，并通过数学仿真验证了该控制方法的正确性和有效性。     

基于数据驱动的弹性高超声速飞行器控制方法

高超声速飞行器存在气动非线性强、复杂振动干扰等特点,参数不确定性大条件下传统依赖于精确模型的控制方法品质下降明显,需要进一步提高控制系统在线适应能力。本文针对弹性高超声速飞行器过载跟踪性能在线优化和弹性振动影响下的控制参数优化问题,提出了一种基于数据驱动的自学习控制方法,首先将高超声速飞行器输出反馈控制问题转化为状态反馈形式,采用鲁棒自适应动态规划算法设计了适用于过载跟踪问题的无模型控制参数在线优化方法,然后针对飞行器复杂弹性振动干扰的问题,提出了基于陷波滤波器的自适应动态规划控制方法,从而保证了振动影响下的控制参数在线优化效果。仿真结果表明,在不依赖于准确模型参数的条件下,本文所提的方法能够有效实现弹性振动干扰下的控制参数在线优化,并提高过载跟踪控制品质。     

临近空间高超声速飞行器的军事应用

正临近空间高超声速飞行器指飞行速度超过5马赫、巡航高度可至临近空间的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器的总称。由于临近空间高超声速飞行器具有高度、高速的特点以及高效的突防和侦察效能,可大大扩展战场空间,所以其巨大的军事和经济价值十分引人注目。当今,高超声速飞行器已成为世界各军事大国纷纷投资的领域,成为21世纪航空航天事业发展的一个主要方向。依靠自身推进的高超声速飞行器     

国外高超声速飞行器发展概况

<正>随着世界军事格局发生深刻变革,战争日益由传统以人为主体的作战模式转换到无人参与的作战模式,因此各国均把速度更快、机动能力更强的高超声速飞行器技术作为未来重点发展的研究方向。近年,国外临近空间飞行器技术发展迅速,美国X-51A计划和"兵力运用与本土发射"(FALCON)高超声速飞行器计划取得显著成果1引言临近空间高超声速飞行器作为新一代进攻型武器,是美国全球快速打击的重要组成部分,以临近空间武器为代表的全球快速打击武器成为支撑美国新"三位一体"战略中"非核远程打击"的重要选择。临近空间武器将在未来作战中充当"开路先     

高超声速飞行器抗干扰反步滑模控制

针对存在参数不确定及外部扰动下的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题,研究了一种基于反步法的抗干扰滑模控制设计方法.将非线性高超声速飞行器动力学模型表达为严反馈形式分步进行设计.采用滑模控制方法进行每步的控制器设计,并提出采用扩展状态观测器（ESO,Extended State Observer）方法实现对参数不确定及外部扰动产生的内外干扰进行估计,继而在控制中补偿.扩展状态观测器能保证对干扰的估计收敛到真值附近的邻域内,从而能够保证较好的补偿效果.通过0.5°附加干扰攻角和25%的气动参数偏差下的非线性高超声速飞行器动力学模型仿真结果验证了该抗干扰滑模控制方案对内外干扰的抑制效果和闭环系统良好的跟踪性能.      

基于最优控制的高超螺旋俯冲轨迹设计

针对高超声速飞行器在俯冲阶段的突防与制导问题，提出了一种基于最优控制的螺旋俯冲轨迹设计方法。首先，根据二阶视线角加速度相对运动方程强耦合、非线性的特点，引入了反馈线性化技术，将非线性系统转化成了线性系统；其次，为了让飞行器实现对目标的期望角度打击，在状态方程中引入了终端落角约束项。然后，以零化视线角速率和使消耗能量最小为目标，采用最优控制得到了加速度形式的控制输入。接着，为了让飞行器在空间内进行螺旋机动，设计了螺旋加速度控制飞行器速度矢量可绕瞬时视线轴进行旋转；最后，考虑到机动与制导的冲突，设计了高度函数使得最优与螺旋两种信号进行匹配。仿真结果显示，在面对相同的防空威胁时，与基于比例螺旋的轨迹相比，本文设计的俯冲轨迹具有更好的突防效果。     

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

新型折叠翼机构设计

为了进一步缩减折叠翼飞行器（如舰载机、无人机、飞行汽车等）的展向尺寸来节省储存、运输空间,设计一种新型的折叠翼机构方案.它由内翼、中翼和外翼3部分组成,采用连杆机构作为翼面折叠机构,能进行两次折叠.简化运动模型,建立运动微分方程,分析折叠翼机构在地面（无气动载荷）情况下的运动特性;利用多刚体动力学软件进行动力学仿真分析;通过在内翼和中翼间的铰链添加扭力弹簧,改善了折叠翼的驱动性能;开展折叠翼地面折叠/展开实验,实验结果与计算机仿真基本吻合.翼面折叠/展开运动平稳,大幅缩减了折叠翼飞行器地面展向占用空间.      

一种连翼飞行器气动和飞行力学迭代仿真方法

根据连翼布局飞行器气动力和力矩的分布特点，建立了面向其气动部件的飞行力学数学模型。将计算流体力学(CFD)和飞行力学仿真结合，采用时间步长离散，建立了一个能通过气动计算和飞行力学相互迭代来完成仿真全过程的面向连翼布局飞行器气动部件的仿真平台，并且在仿真过程中能全程监测所有部件的气动、动力学、姿态和航迹参数的变化。通过该仿真平台对不同输入信号作用下的动力学响应分析了连翼布局飞行器纵向和横侧向的动力学特性。仿真分析结果表明:该连翼布局飞行器纵向具备静稳定性，但横侧向不具备静稳定性。同时，横向和航向运动耦合明显，符合荷兰滚运动偏航及侧滑振荡明显的主要特征。所提方法可为了解连翼布局飞行器本体及飞行动力学响应特性、飞行品质和飞行安全研究等工作提供分析基础。      

飞行器栖落机动的轨迹跟踪控制及吸引域优化计算

针对固定翼飞行器栖落机动的纵向运动，研究了栖落机动轨迹跟踪控制设计与吸引域优化计算方法。首先，根据栖落动力学模型和栖落过程中各个状态量的约束，用广义伪谱法生成标称轨迹，以此为基础设计了分段线性轨迹跟踪控制律。然后，在平方和（SOS）算法的基础上计算出栖落轨迹的吸引域，以保证吸引域内的飞行器能最终栖落在目标区域。最后，进一步改进吸引域的迭代优化计算方法以扩大吸引域范围。仿真结果验证了栖落机动轨迹跟踪控制律的有效性，并表明运用所设计的吸引域优化计算方法可以获得更大的吸引域。      

鸭式旋翼/机翼飞行器转换末段气动特性

采用数值模拟方法研究鸭式旋翼/机翼(CRW,Canard Rotor/Wing)飞行器在转换过程末段,旋翼转速极低时全机气动特性变化规律及其产生原因.给出了旋翼旋转一周时,全机气动力、气动力矩、焦点位置变化规律,对此布局形式,转换过程末段全机升力、阻力变化幅度可达10.7%,3.7%,焦点可移动0.6 m.研究显示:旋翼处于前后不对称流场及旋翼处于不同方位角时对机体的不对称干扰是气动力与气动力矩变化原因,旋翼与平尾升力线斜率变化、旋翼自身焦点位置变化导致了全机焦点移动.      

高超声速热流高精度数值模拟方法

通过高超声速下钝锥热流的计算,对影响热流计算精度的因素进行了综合研究.获得了壁面法向网格Re数对热流计算的影响规律.采用边界高阶插值,提高了热流计算精度.用Roe和AUSM(Advection Upstream Splitting Method)+格式搭配minmod和混合limiter两种限制器,探讨了空间离散方法及限制器的耗散性对热流结果的影响.应用五阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)方法,对高阶格式计算热流的性能进行了细致研究,最终确立了网格依赖小,热流精度高的计算方法.研究认为:高阶格式不但可以放宽热流计算对网格Re数的限制,同时使得格式对本身计算方法的依赖性也变小.      

高超声速飞行器热流密度/分层温度/碳化层研究

受试验设备能力限制,地面风洞无法完全模拟高超声速飞行器临近空间热环境。文章采用在飞行器表面开孔安装长时耐高温热流传感器直接测量热流密度的方法,国内首次获得Ma12以上高超声速飞行器表面热流密度时变数据和边界层转捩特征。实测热流值与理论预示值规律相同,两者偏差小于20%。针对树脂基材料导热微分方程中虽考虑了热解吸热项,但未考虑导热系数随温度变化情况,采用在树脂基材料导热微分方程中加入物性参数随温度变化项的方法,计算了飞行器热防护结构内部分层温度和碳化层厚度,并与实测结果进行了比较,不考虑树脂热解特性和材料物性参数随温度变化,理论值高于实测值,最大偏差275~320℃;考虑热解特性和物性参数随温度变化情况,计算值与实测值最大偏差小于70℃。     

喷流制冷的高超声速后台阶流场气动光学效应研究

近年来,临近空间的军事应用价值受到了越来越多的关注。为了研究高超声速飞行器典型后台阶结构的气动光学问题，采用研究稀薄气体动力学的直接模拟蒙特卡洛算法(DSMC)研究了临近空间不同喷流控制下的后台阶流动特性，并采用光线追踪方法研究了不同流动控制下流场的气动光学效应。计算结果表明，随着飞行高度增加，壁面热流将增加，同时气动光效应将变弱。在四种喷流冷却方式中，喷流方式A的冷却效果最好，同时没有增加气动光学效应，B、D方式具有一定的冷却效应，但使得气动光学效应更加严重。