基于高斯过程的航天器自适应滑模姿态控制

针对存在模型不确定性和外界干扰的刚性航天器,提出了一种基于高斯过程回归(GPR)的新型自适应滑模姿态控制算法。该算法具有自学习能力,在不同的姿态控制任务下都能够实现高精度、强鲁棒和高效率的姿态跟踪。首先,在航天器的四元数标称系统动态模型基础上,应用在线稀疏高斯过程回归(SOGP)方法学习系统的未知动态;其次,结合高斯过程的预测均值设计滑模控制算法,利用高斯过程的预测方差自适应调节控制增益,并应用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性,保证了航天器姿态跟踪误差的渐进收敛性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。结果表明,该自学习控制算法与自适应滑模控制(ASMC)与神经网络自适应控制等算法相比,具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度以及更低的控制成本。     

超声速/高超声速双拐点喷管设计

为实现直连式试验台、高温风洞等试验设备的多马赫数运行,提出了双拐点喷管设计方法.喷管分2段设计,第1段共用,采用3次B-Spline函数描述喷管轴线马赫数分布.首先采用特征线方法求解Euler方程,得到无黏的理想喷管型面.其次采用参考温度方法求解边界层位移厚度,对无黏壁面进行修正得到实际壁面.共用段喷管出口的平行均匀流作为第2段喷管设计的初值.为验证设计方法的可行性,设计了中间马赫数为3.0,出口马赫数分别为4.0,4.5和5.0的双拐点喷管,并采用雷诺平均的Navier-Stokes方程对设计的喷管流场进行数值模拟.计算结果表明:喷管出口流场均匀,试验菱形区的马赫数误差小于1.2%.该方法提高了喷管设计精度,保证消波干净,为直连式试验台、高温风洞等设备的多个喷管共用一套动力系统提供了基础.      

超声速混合层增长速度定量测量与比较

为研究超声速混合层增长速度,在自行设计的超声速湍流混合风洞中,分别采用常规连续光源与脉冲激光光源完成相应的纹影和NPLS实验.采用对比度调整和边缘检测方法对实验图片进行处理,得到了适合于定量测量混合层增长速度的图像.给出了相应的增长速度测量方法,并对相应的实验图像进行了定量测量与比较.     

超声速混合层增长速度定量测量与比较

为研究超声速混合层增长速度,在自行设计的超声速湍流混合风洞中,分别采用常规连续光源与脉冲激光光源完成相应的纹影和NPLS实验。采用对比度调整和边缘检测方法对实验图片进行处理,得到了适合于定量测量混合层增长速度的图像。给出了相应的增长速度测量方法,并对相应的实验图像进行了定量测量与比较。     

基于微型涡流发生器的横向射流被动控制研究

微型涡流发生器放置于喷孔上游,采用纳米粒子平面激光散射(Nano-particle Planer Laser Scattering,NPLS)对微型涡流发生器诱导下的超声速横向射流进行了层析观测,并采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)方法计算了观测区域速度分布。对不同流向位置的穿透边界和横向扩散进行提取和统计平均,发现引入涡流发生器后射流穿透边界比未引入时提高了27%左右,而横向扩散最高提高了12.6%。分析涡流发生器尾迹速度场发现,尾迹在射流穿透方向上的诱导速度对射流穿透深度有重要作用,尾迹与射流在近场区域的相互作用是影响射流穿透深度和横向扩散的关键因素。     

等熵侧压诱导的超声速平板边界层二次流研究

为了揭示等熵侧压诱导的超声速平板边界层二次流的形成机理,基于建立的简化流场模型,结合小扰动分析和数值计算,研究了来流边界层马赫数不均匀分布因素对二次流形成的贡献。研究表明,侧压诱导的二次流是流场的平均行为,和瞬时的扰动与涡的相互作用无关。压缩波在主流和边界层中的传播特征不同,导致在侧壁压缩作用下主流和边界层流体压缩不均匀,从而产生了边界层流体相对于主流的横向运动;密度梯度和压力梯度矢量方向不一致,即流动的斜压性是流向涡形成和发展的一个重要因素。     

圆形截面超声速流道三维消波过程中的压力传播与几何变形

为了研究圆截面超声速流道因局部变形而导致的消波不完全问题,该问题涉及到马赫波的三维相交、反射、聚焦及耗散作用,采用所提出的特征线消波技术,设计了壁面存在局部高/低压区的圆截面超声速消波流道;以此来探索压力波在超声速圆管中的聚焦和三维传播、消波过程中圆截面流道的变形特性、压力波与壁面变形的耦合作用、以及多扰动源产生压力波的相交过程。通过分析消波流道的流场结构,可以发现:在局部高压区下游,出现压缩波与膨胀波的马赫锥相互嵌套的三维传播形式;圆弧壁面对压力波有聚焦作用。根据消波过程中壁面的变形可以发现:壁面变形主要沿扰动源下游发展,波形沿流向不断增大而不能回归原型,即呈现发散趋势,展现了流动的非线性。采用压力的均方差对流场的均匀性进行评估,发现:弱压力扰动的流场可进行线性叠加;沿着流向扰动范围扩大,峰值减小,避免汇聚成强扰动。     

三维曲面激波反问题的参考平面解法

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,从降维的三维特征线方法出发,推导出适用于参考平面法的特征方程和相容方程,并提出曲面激波反问题的求解方法。该设计方法可以把三维流场切为多个横截平面。在参考平面内,通过局部迭代求解准二维的特征方程和相容方程;在垂直于参考平面方向,通过引入整体迭代法来确定解面上的交叉导数,使结果达到二阶精度。采用泰勒-麦科尔流动和斜激波关系式验证了该设计方法的精度,其中压力的相对误差分别为1.3×10~(-3),6.1×10~(-5)。为了进一步验证设计方法的可靠性,设计了在3°来流攻角情况下,产生圆锥激波的三维型面,并采用商用软件Fluent验证所设计的三维构型。对比结果表明:所设计的流场与CFD数值模拟结果符合得较好,且流场参数最大误差不超过2%。     

基于BOS的气动光学畸变测量与波前重构

通过系统集成与开发,研究了基于背景纹影(BOS)的高分辨率气动光学畸变测量方法。分析了PIV方式的BOS系统结构与特征。在BOS中,背景点的位移受实验装置的几何参数影响,通过调整这些参数能够改变BOS成像系统的分辨率以及观测区域的大小,这是传统纹影难以实现的。通过简化光路,定量分析了BOS的灵敏度与分辨率之间的相互制约关系。在搭建BOS系统的基础上,研究了蜡烛火焰上方热对流导致的气动光学效应,并根据光线偏折角与光程差之间的关系,实现了气动光学波前重构。结果表明,蜡烛火焰造成的平面波前畸变较好的反映了流场非均匀性带来的气动光学效应,而且其空间分辨率远远高于传统的干涉测量技术。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma-3．8超声速风洞中,采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布。PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求。本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理。实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布。