基于跟踪微分器的高超声速飞行器减步控制

针对高超声速飞行器强非线性,强耦合与高度不确定性的特点,提出一种基于高阶跟踪微分器的减步控制方案。将高超声速飞行器纵向模型表达为严反馈形式。在反步法设计框架中,引入跟踪微分器,利用其对给定信号任意阶导数精确估计的能力,计算第1步设计中产生的虚拟控制量的导数,并直接获得第2步实际控制量,从而将设计步骤从3步减少为2步。且在每步设计中将参数不确定性与外部扰动建模为等效干扰,设计扩张状态观测器获得等效干扰估计值,继而在控制器设计中进行补偿。利用Lyapunov方法证明闭环系统稳定性。仿真结果验证了所提控制方案对不确定及干扰的抑制作用,且跟踪精度优于传统动态面方法。     

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。     

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

高超声速再入飞行器的多孔流动控制

针对高超声速再入飞行器流动控制问题,提出一种头部进气、尾部排气的多孔流动控制概念。采用Fluent软件针对高超声速再入飞行器无孔模型、排气孔模型在马赫数为6,高度为25km状态下开展了三维雷诺平均N-S方程(RANS)数值模拟研究。结果表明:排气孔模型阻力系数略有增加,下排气孔(SH-DB)模型产生正的升力系数增量和低头力矩增量,上排气孔(SH-UB)模型产生负的升力系数增量和抬头力矩增量,实现了无活动气动面产生控制力矩的目的,为高超声速再入飞行器复合控制提供了参考。      

锥导乘波体构型的气动特性不确定度分析

为研究锥导乘波体偏离设计条件下气动特性变化情况,采用稀疏的非嵌入式混沌多项式方法,对乘波体气动特性进行了不确定性量化及全局非线性灵敏度分析。首先,采用CATIA二次开发技术对锥导乘波体进行参数化建模;其次,在来流速度、温度、密度和迎角满足特定扰动的条件下,通过拉丁超立方试验设计生成样本,并采用CFD进行计算;最后,根据试验设计样本建立响应面,通过混沌多项式分析得到了乘波体气动力系数的不确定度。灵敏度分析结果表明,迎角在锥导乘波体的气动特性变化中起主导作用。对马赫数和压强的流场不确定性分析结果表明,气动特性变化主因是乘波体前缘处的压力泄漏,影响了上表面压力分布,导致了气动性能的改变。     

曲锥前体/三维内转进气道一体化设计与分析

对圆锥流场在不同攻角条件下的气动特征进行分析,以流线追踪技术为基础,发展了一种曲锥前体/三维内转进气道一体化设计方法,获得了三个几何参数对一体化方案外形和性能的影响规律。研究发现,三维内转进气道侧壁外扩角对进气道流量捕获系数影响明显,而捕获形状圆心角对进气道的影响主要表现在几何特征上。此外,进气道流量捕获系数随外压缩段总长度的增大而减小。基于对捕获形状的研究,设计了一种曲锥前体/三维内转进气道,并通过数值模拟对该方案进行研究。结果表明:在设计点来流马赫数为6.0时,该方案进气道流量捕获系数能够达到0.93,且具有0.61的总压恢复系数;在非设计点来流马赫数为5.0时,流量捕获系数能够保持在0.86,总压恢复系数为0.77。      

测压孔径对下沉安装压力传感器测量的影响

对于高超声速飞行试验,飞行器在飞行过程中产生的气动加热会使其表面安装的传感器烧坏并导致试验测量失败。传感器下沉安装可以避免其与飞行器周围的高温气体直接接触,减轻传感器的热载荷。采用下沉安装传感器的方式对高超声速边界层的脉动压力进行了试验测量,研究了测压孔径对脉动压力特性的影响。结果表明,随着孔径增大,脉动压力强度减小,流场相关性增强。传感器下沉安装会引起空腔流动,随着孔径的增大,空腔流动对脉动压力测量的影响降低。在频带10~20 kHz范围内,测压孔径仅仅影响脉动压力强度,在频带1~10 kHz范围内,测压孔径对脉动压力波形周期的影响更为显著。非线性耦合将能量由高频小尺度向低频大尺度传递,导致发生自相互作用和非线性相位耦合的流动结构趋向低频,随着孔径增大,非线性相位耦合消失。此外,孔径越大,不同尺度结构的能量分布与齐平安装的相似性越高。     

超声速进气道正激波位置动态辨识与控制方法研究

为了实现超声速进气道闭环控制,对基于放气流量调节的进气道正激波位置动态辨识与控制问题进行了研究。基于超声速进气道二维CFD模型,探究了放气流量、来流压力、温度、马赫数对正激波位置的动、静态影响,并对其传递函数进行了辨识。以此为基础,在Matlab Simulink环境下,针对正激波位置控制设计了一种自抗扰控制律(ADRC)。仿真结果表明,所设计闭环系统响应时间短,超调量小,相比于常规PI控制可更有效地抑制来流干扰。     

弯掠优化对高负荷跨声速串列转子的影响分析

为了研究三维弯掠优化对串列转子性能的影响,设计了一套基于NURBS参数化方法和Kriging代理模型的串列转子三维弯掠优化系统。以一高负荷跨声速串列转子为研究对象,分别研究了掠形优化、弯形优化和复合弯掠优化对串列转子性能的影响。结果表明:三维弯掠优化可以改善串列转子的性能,与原型串列转子相比,前掠转子、正弯转子和复合弯掠转子在近设计点的效率分别提高了1%,1.03%,1.47%,正弯转子的稳定裕度增加了23%,但前掠转子和复合弯掠转子稳定裕度有少许下降。在高负荷跨声速串列转子的弯掠优化造型中,前掠造型能改善串列转子叶中和叶尖的性能,叶根性能有所下降,正弯造型能改善串列转子大部分叶展的性能,弯掠优化造型提升高负荷跨声速串列转子效率的原因是弯掠优化降低了转子通道正激波的波前马赫数,而激波位置基本不变。     

中心支板顶角对RBCC进气道影响数值研究

为研究中心支板顶角对火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)进气道的影响,优化RBCC进气道设计方法,利用数值模拟对RBCC进气道开展了研究。分析了中心支板顶角变化对进气道内压缩段最小长度的影响,通过数值模拟对中心支板顶角变化对典型工况下进气道的流场特征和性能影响开展了定量及定性的研究。研究结果表明,增加支板顶角可以减小进气道长度(相比于Strut_1,Strut_2至Strut_5的隔离段长度分别减少47%,62%,70%,75%)和粘性阻力系数(相比于Strut_1,在Ma∞=1.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少33%,45%,55%,59%;在Ma∞=5.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少37%,50%,57%和61%),但并不影响进气道流量系数和流动均匀度。同时根据研究结果对进气道进行优化设计,能有效提高进气道的起动能力及其他性能参数,进气道的内、外压缩段阻力系数分别降低13.5%和5.7%,总压恢复系数和循环静温比分别提高2.6%和0.5%。