折叠式变体飞行器轨迹优化及控制分析

针对临近空间高超声速飞行器存在的问题，设计了一种折叠翼飞行器，可以通过折叠机翼来适应各种飞行状态，保持最优的气动特性。并针对临近空间滑翔式高超声速的特点，采用高斯伪谱法对固定翼飞行器和折叠翼飞行器的轨迹优化，通过将折叠翼飞行器与传统固定翼飞行器在射程能力、规避热流能力方面进行对比，提出了一种综合目标的轨迹优化思想。设计的折叠翼飞行器相比传统固定翼飞行器性能更加优越，更适合临近空间环境，提高了17.67%的航程，减少了热流率峰值的35.72%，并通过控制系统的设计和仿真加以验证，仿真结果表明变体飞行器机动能力相比固定翼飞行器有了显著的提高。     

多段翼积冰的数值模拟及防冰预测

为研究飞行器翼面积冰预测问题,通过对积冰形成机理的分析,提出了基于经典Messinger模型的积冰表面传质传热的改进模型;通过引入对多段翼空气流场的插值计算,建立了多段翼翼面积冰预测模型;考虑防冰系统向翼面控制体带入的等效热功率,提出了防冰条件下的积冰预测方法.通过对算例的分析对比,数值模拟计算结果与实验数据基本吻合,表明本文提出的结冰计算模型合理,能够用来进行积冰预测分析,为进一步研究翼面结冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础.      

火星进入舱配平翼机构展开冲击动力学分析

在着陆巡视器进入火星大气的过程中，配平翼机构会根据指令由收拢状态展开，并在到达指定位置后锁定，进而将进入舱配平攻角降至合理范围内，因此，其展开动力学性能对后续任务的成败至关重要。以配平翼机构功能的顺利实现为背景，研究复合材料构件的冲击动力学分析方法，建立了其有限元分析模型并基于隐式动力学算法对其展开过程进行了仿真。通过与地面试验结果对比，验证了展开动力学分析模型的正确性。在此基础上，对配平翼机构进入火星大气过程中的2种气动载荷工况下的展开过程进行了分析；基于Hashin理论对碳纤维蒙皮翼板的强度进行了校核，在2种气动载荷工况下各铺层的纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸及基体压缩4种失效模式所对应的失效因子均处于安全范围。可对类似机构的展开冲击问题研究提供参考。     

空间柔性机构运动可靠性分析

根据空间柔性机构运动可靠性的特点,利用浮动坐标系和模态柔性建立了柔性机构动力学微分方程, 并给出其迭代算法的数值求解方法.研究了柔性机构运动可靠性分析仿真方法,包括一次二阶矩法和高效响应面法,特别是针对空间柔性机构运动可靠性的特点,分析了以上方法的适用性.最后,应用ADAMS软件中柔性多体动力学建模、分析和仿真功能,并结合自主开发软件工具序列响应面法S RSM(Sequence Response Surfance Method),成功地对某空间展开机构的运动可靠性进行了分析仿真.      

翼伞充气过程的流固耦合方法数值仿真

为研究冲压式翼伞折叠充气过程的流固耦合动力学特性，基于自由曲面变形理论建立了多气室冲压翼伞的展向折叠模型。流体域通过时步更新技术实现了随伞载系统运动，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法开展了翼伞非定常充气展开过程的非线性动力学数值计算，数值计算结果与空投试验结果具有较好的一致性。深入分析了翼伞充气过程中的三维外形及非定常流场分布情况，表明翼伞充气过程由于翼尖涡绕流，存在“翼尖上翘，中部凹陷”的翼伞尾流再附现象；各气室的充气规律关于中央气室对称；分析了翼伞气动特性的动态变化规律，充满后翼伞滑翔比稳定在2.24。上述研究为翼伞设计及开伞性能预测提供了一定的理论依据。      

大型太阳帆薄膜折叠及展开过程数值分析

针对深空太阳帆帆面薄膜折叠方式及太阳帆空间展开过程的优化问题,在叶内折叠、叶外折叠方式的基础上,提出了一种斜叶外折叠方式,并通过建立不同的参数模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对5种折叠模型展开过程进行了力学分析.分析结果表明,新提出的斜叶外折叠方式是较适合空间应用的太阳帆帆面折叠方式.太阳帆在空间展开过程中帆面应力与展开速度、折叠宽度等因素相关,帆面与支撑杆连接的顶点区域是整块帆面应力最大的区域,应重点进行加固.研究结果将为大型太阳帆薄膜材料选择及结构设计提供重要依据.     

充气薄膜桁架的协同折叠设计及展开过程仿真

充气薄膜桁架结构可应用于大型空间充气薄膜航天器的展开部件和支撑结构。研究了充气薄膜桁架结构的协同折叠设计方案，首先推导了蒙皮结构的折叠状态几何公式，然后设计充气桁架的折叠方案，以几何适应于蒙皮结构折叠状态。建立了协同折叠设计方法，并得到了参数化模型。方案实现了横向和纵向同时折叠，横向折叠率为267，纵向折叠率为882。基于改进的弹簧 质点系统，完成了充气薄膜桁架结构的充气展开动力学仿真，得到了展开动力学行为和参数。仿真结果表明展开过程平稳可靠，未发生各构件间的物理干涉，从而评估了协同折叠设计方案的合理性，为此类结构的工程应用提供了技术支撑。     

一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化,基于Kane方法,将变体运动假设为已知的可控输入,利用约束方程来表示机翼的变形运动,选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率,建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型.定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响,仿真结果表明,在平稳飞行条件下,相对于变形引起的空气动力的变化,机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小.在不同的变形速度下,对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析,仿真结果表明,变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大变化.      

日本进行第二次有翼飞行器实验

日本文部省空间科学研究所将在今年10月下旬进行第二次有翼飞行器滑翔实验。与去年第一次实验相同,此次实验是在飞机上分离,因为用地面风洞实验和计算,不能掌握机体的运动特性。与第一次不同的是此次实验将有意识在高速飞行中分离。这次用的有翼飞行器全长2米,直径1.5米,重约100公斤。其主翼及整个后翼为可动翼,呈梯形,与去年机体有所不同。主翼端在真空环境中辅助控制机体姿态的气体喷射。飞行器用增强纤维和铝合金制成。实验拟在秋田县能代市的空间研究所的能代火箭试验场进行了3次试验,用直升飞     

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法（UVLM）计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT（矩形分割）全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。      

可变后掠翼联动驱动机构设计与尺寸综合

可变后掠翼飞行器通过改变其机翼后掠角，可实现在不同飞行速度条件下，达到最佳飞行状态。为了实现在单驱动下机翼后掠角变化时，同时实现机翼部分蒙皮的展收，基于平面复合连杆机构，提出一种可变后掠翼联动驱动机构。为了解决该机构函数生成与运动生成综合相结合的尺寸综合问题，将复合连杆机构拆分为3个子机构，通过矢量方程法对机构进行分析，建立复合连杆机构的矢量环路方程，并对机构的可动性进行分析。结合机构矢量环路方程，提出一种利用优化算法与运动学分析软件判断机构可动性、优化机构性能的尺寸综合方法。结合相应实例，使用所提方法对机构进行设计，获得了满足可动性要求、尺寸约束，且包络面积最小的机构尺寸构型，证明了所提方法的有效性。      

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。      

含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

当飞机在地面上滑行时,其运动会受到风载荷和不对称刹车力矩的影响.为分析飞机的动力学行为,给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法.将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统,主起落架的轮子为纯滚动,飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移.飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出,用约束稳定化方法抑制约束的漂移.轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述,以用于判断前轮是否发生侧向滑移.最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为.      

剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击,提高展开平稳性,降低空间可展天线收展比,梳理了可展开天线桁架机构的常见构型,提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构,并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析,结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模,分析了机构展开平稳性,结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右,具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试,验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。     

结构受损飞机动力学模型与飞行控制方法

为实现对结构部分受损飞机的安全控制,建立了其动力学模型,通过分析将结构受损飞机的旋转运动分解为正常飞机旋转运动和由于受损引起的扰动运动,将结构受损飞机的控制转化为对扰动等不确定性因素的抑制问题.提出了一种基于扩张状态观测器的轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.仿真结果表明:当飞机右侧机翼缺损15%半翼展长时,控制系统能实现结构受损飞机的解耦控制,角速度响应能较好地跟踪指令,有效抑制了结构受损带来的不确定性和扰动.     

碟形飞行器横航向飞行品质

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器。应用经典飞行动力学理论的线性化小扰动方法对碟形飞行器在低速条件下的横航向稳定特性进行了仿真计算,采用时域分析的方法对横航向模态进行了分析,得到了碟形飞行器的横航向飞行品质状况.同时将碟形飞行器同常规布局飞机和飞翼飞机的特性做了简要的对比,分析了碟形飞行器同二者的异同之处和产生的原因.研究结果表明,碟型飞行器具有良好的横航向飞行品质和综合性能.     

具有变胞功能的自主移动制孔机构

根据飞机自动化装配的应用需求,结合变胞原理提出了一种双偏心变胞源机构.在此基础上设计了一种具有变胞功能的自主移动制孔机构,能实现行走和调姿制孔两种功能阶段之间的变自由度切换.给出了调姿过程由初始状态经俯仰与侧滚后到达期望法矢位置各足驱动量的运动学反解算法,可用于实时控制.运用Matlab绘出了实际工况下反解算法中各足偏移量区域,完成了双偏心变胞源机构的尺寸设计.建立虚拟样机,联合算例进行运动学仿真,结果验证了运动学算法和双偏心变胞源机构适用于本机构.研制了实物样机,测试了系统的调姿精度,结果表明可满足飞机装配自动化制孔的要求.