高超声速飞行器平稳滑翔弹道解析解及其应用

针对高超声速飞行器平稳滑翔弹道在线规划问题,提出了一种高精度的平稳滑翔弹道解析求解方法。首先,将升力系数分解为横向分量、平衡滑翔纵向分量和平稳滑翔纵向分量3个部分,并在此基础上将纵向运动方程、横向运动方程和速度方程解耦;然后,分别采用解析积分、正则摄动法、高斯积分法和单步龙格-库塔积分获得了滑翔段高度及射程、弹道偏角、经度、纬度和速度的解析解,并通过分段求解来提高解的精度;最后,利用上述解析解,提出了一种规划升力系数平稳滑翔纵向分量和横向分量的平稳滑翔弹道快速生成算法。仿真校验表明,本文解析解的精度比经典的Bell解析解高1个数量级,所对应的弹道规划方法具有计算量小、规划速度快的特点,有利于实现在线弹道规划。      

先进空间运输系统气动设计综述

天地往返运输系统是能够自由进出空间轨道、安全返回地球表面、执行天地往返运输任务的航天运输体系。近年来,随着先进动力、新材料、新工艺的带动效应逐渐显现,各航天集团开始了新一轮先进天地往返系统的研究,其中大量研究项目针对具备完全可重复使用、可大幅降低运送有效载荷进入太空成本的先进天地往返运输系统展开。本文针对这一热点领域进行综述性研究,对不同类型进出大气层飞行器的气动设计特点进行了分析,结果表明跨大气层飞行器是天地往返运输系统的主要载体,认为未来主要以火箭助推入轨滑翔再入和水平起飞水平返回为主要发展方向,两类飞行在气动设计方面有高超飞行器宽域飞行适应性的共性难题,同时在气动-动力一体化化设计方面又有较大的差异。     

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

一种热平衡等温机制的新型热防护及相关技术

给出了一种适用于高超声速飞行器热防护的新概念——疏导式热防护,其基本理论是利用热平衡等温机制,使防热层趋于一等温体,实现热负载平衡。针对这一概念,进行了较为系统的研究,包括原理、分析方法、实现疏导式热防护的关键技术。研究结果表明,疏导式热防护技术可有效地减少高热流区的温度和热应力,是一种有效的非烧蚀热防护技术。     

温敏漆技术及其在边界层转捩测量中的应用

A temperature sensitive paint (TSP) technique is developed for the request of boundary layer transition measurement, and a test of hypersonic boundary layer measurement of a flat plate is done in CARDC 0.6m shock tunnel. By use of the TSP technique, the measurement of the hypersonic boundary layer transition of slab has been done in the shock tunnel. The test nominal Mach numbers are 8 and 10, the unit Reynolds numbers are 2.45×10 7/m and 4.48× 10 6/m respectively, and the yaw angle is 20°. The data of heat transfer and transition position obtained by the TSP and measurement results of the thin film heat transfer sensor match well. The results illustrate that the TSP technique has the ability to measure the hypersonic boundary layer transition of simple model qualitatively and quantitatively in shock tunnel.     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。     

基于伪谱法的固定采样实时最优制导方法研究

针对具有过程约束和终端状态约束的高超声速飞行器再入制导问题,给出了一种固定采样非线性实时最优制导算法,该算法通过连续在线计算开环最优控制的方式提供闭环反馈,避免了内环跟踪控制器的设计过程。利用通用伪谱优化软件包实现多约束非线性系统最优控制问题的在线求解。在考虑计算误差、预报误差、模型参数不确定性和干扰的情况下,对采用该算法构成的闭环控制系统的有界稳定性进行了理论分析与证明。仿真结果表明,该实时最优制导算法能有效地抑制飞行过程中不确定性和扰动的影响。     

基于全通道耦合特征模型的高超飞行器控制研究

建立了"类X-20"高超声速飞行器的动力学模型,针对攻角、侧滑角和滚转角三通道之间的强耦合性,提出了一种同时考虑状态耦合和输入耦合的全通道耦合特征模型,基于此特征模型设计由多输入多输出黄金分割自适应控制律、微分控制律和积分控制律相结合的组合控制器.最后,分别对精确模型和干扰模型进行仿真,验证控制器的跟踪能力及鲁棒性,并与单通道控制器比较,结果表明全通道耦合特征模型控制器在高超声速飞行器姿态控制方面具有明显优越性.     

高超声速冲压发动机-飞行器计力体系讨论

从吸气式高超声速飞行器受力分析出发,讨论如何统计飞行器受力的问题,建议在研究中使用增量法。这种方法将冲压发动机冷、热工况产生的力(力矩)增量视为飞行器运动分析中所需的"发动机推力或拉力",这个力或力矩分别叠加在飞行器冷通气状态的力或力矩上。这样,就与传统的飞行器运动方程中的力建立了一一对应的关系,可最大限度地使用以往建立的数据获取方法、分析软件、实验技术体系,将给后续工作带来极大的便利。另外,使用此方法,实验容易获得高质量的数据,通过大量容易组织的冷态实验也可使数值模拟的准确度大大提高,使未来飞行器的运动分析结果更可信。在这个体系下,内流道的冷工况阻力(轴向力)是高超声速冲压发动机与飞行器一体化需考虑的重要问题,一方面飞行器总体任务设计需限定内流道冷阻范围,另一方面要使发动机在要求的冷阻范围内高效工作,后者是高超声速发动机研究面临的严峻挑战。     

再入飞行器标称攻角优化设计

再入飞行器的标称攻角在弹道规划以及飞行器覆盖能力分析中起到重要作用,由于再入飞行中气动加热严重,过载和动压约束严格,给标称攻角的设计带来很大困难.针对弹道射面内最大纵程和最小总热载荷问题,在考虑热流、动压和过载约束下分别进行标称飞行攻角的优化设计.首先将过程约束转化为对控制量攻角的约束,将需要优化的标称攻角通过分段线性函数参数化,把最优控制问题转化为4个参数的寻优问题,然后利用遗传算法获得参数的初始猜想,并设计序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)算法求解.仿真结果显示该方法能够快速获取再入标称飞行攻角,为再入轨迹优化和制导总体设计提供参考.