轻型无人机与飞机风挡碰撞风险研究（英文）

随着无人机应用的快速增长,机场附近和空域已发生了很多重大航空事故和危险征候,无人机的无序飞行对航空运输安全构成了巨大的潜在威胁。以典型轻型无人机和某型商用飞机及其风挡为研究对象,通过有限元仿真方法得到无人机在最严酷姿态下与飞机风挡最薄弱位置碰撞损伤等级及相应的冲击能量区间,以此保守划分损伤严重性等级。在无空中交通指挥干预的情况下无人机与飞机相互独立运动,考虑两机之间的水平最小安全间隔、侧向最小安全间隔以及垂直最小安全间隔的联合约束,通过蒙特卡洛仿真得到无人机与飞机的碰撞概率,并确定碰撞可能性等级。基于损伤严重性等级和碰撞可能性等级的不同组合形成无人机与飞机风挡碰撞的较为保守的定性风险矩阵。研究结果总体表明:在120 m飞行高度下,两机距离超过3 600 m且在典型的俯仰角和航向角工况下发生碰撞风险及其损伤程度较小,否则发生碰撞风险较大且损伤程度较严重。研究结果为无人机的规范性设计制造、局方对无人机运行管控的政策制定以及无人机与载人飞机在同一空域运行的风险评估提供理论依据和实践参考。     

基于遗传算法优化神经网络的结冰环境中MVD和LWC预测

水滴平均体积直径（Mean volumetric diameter,MVD）和液态水含量（Liquid water content,LWC）是两个影响飞机结冰的重要气象参数,但在实际中难以准确测得,如果能够实时、准确地获取这两个参数可以为积冰预测和飞机适航认证标准的建立提供一些指导。文中提出了一种基于遗传算法优化神经网络的结冰气象参数预测模型。以不同测点组合的冰厚和结冰速率、环境温度、飞行速度和机翼迎角为输入参数,结冰气象参数MVD和LWC为输出参数,构建遗传算法优化的结冰气象参数预测模型,并通过预测模型对数值计算测试组数据和结冰风洞实验数据的结冰气象参数进行预测。结果表明,基于遗传算法优化Elman神经网络的预测模型对结冰气象参数的测试组预测相对误差在10%以内,实验数据相对误差在20%以内,该方法具有一定的可行性。     

可变阻力特征对锥套拖曳位置的影响

为了突破传统空中加油稳定伞对于加油机飞行速度和高度的限制,业内提出了可变阻力特征稳定伞的概念。本文分析了阻力特征变化对于加油锥套拖曳位置的影响,对一类可变伞撑角的变阻力特征稳定伞进行CFD数值模拟,得到了不同伞撑角下稳定伞的阻力随速度和高度的变化趋势。对加油软管进行离散建模,计算了软管拖曳形状。结果表明,通过改变伞撑角可以有效调节稳定伞的阻力特征,控制锥套的下沉量,验证了可变阻力特征稳定伞的可行性,拓宽了传统稳定伞适用的速度和高度范围。     

充气式气动减速器的折叠方法及充气过程数值仿真

针对充气式气动减速器难以建立折痕有序、径向压缩的折叠模型，本文提出了分割映射折叠方法。首先基于分割映射技术得到分割展平面；其次通过矩阵变换将分割展平面转换为连续的几何折叠模型；最后，采用初始应力修正了建模过程中的模型误差，降低了充气过程中的应力集中和网格畸变问题。数值结果表明：充满的单圆环的表面积和体积误差仅为1.8%，验证了本文折叠方法的高精度；充气式气动减速器的初始和充满外形与实验外形一致，展开过程稳定、有序，说明该方法的可靠性和适用性。本文折叠方法适用于任意旋转曲面的多维压缩和有序折叠，提高了曲面展开数值仿真的精确度和稳定性。     

基于增益调度与光滑切换的倾转旋翼机最优控制

针对倾转旋翼机转换机动中变动力学特性导致的复杂控制问题，提出基于增益调度（GS）的线性二次最优控制与光滑切换控制结合的综合体系结构，用以实现转换机动过程中的全局最优控制。该控制综合方法，在保证性能指标要求最小的同时，对操纵机构的负荷较低。首先，建立了倾转旋翼机高置信度飞行动力学模型，并应用混合操纵克服操纵冗余问题。其次，设计了基于增益调度的线性二次最优多环控制器，并采用光滑切换控制策略综合2套控制器，实现动态倾转过程的姿态平滑过渡。最后，进行以倾转走廊中间路径为期望轨迹的全模式自主飞行仿真。仿真结果表明:控制系统在转换机动过程中体现出强鲁棒性和较优的系统性能。      

基于k-ωSST模型的同心筒发射装置流场数值模拟

围绕同心筒发射装置流场数值模拟及结构优化展开研究,流场数值模拟基于轴对称Navier-Stokes(N-S)方程、k-ω shear stress transfer(SST)湍流模型,并运用域动分层动网格方法,以同心筒初始方案为参照,研究了同心筒发射过程的动态流场,在此基础上,分别对内筒收敛段的收敛角度以及筒口扩张段的扩张角度进行了优化研究,研究结果表明:内筒收敛段使得燃气排导更为通畅,筒内的热环境有所改善,并且内筒收敛段起到了一定的防喷作用,收敛角越大,筒底热环境越好;筒口扩张段对发射过程动态流场也有明显影响,收敛角为15°,扩张角为20°时,导弹从开始发射到完全出筒过程中热环境最为良好。      

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

基于综合评价优化的民机顶层需求指标权衡

确定顶层需求指标是民机设计流程之初的重要工作。针对民机顶层设计工作，提出一套民机顶层需求定量权衡方法。根据民机顶层需求与概念设计之间的关系，将概念设计方案的特性参数视为一组可行的顶层需求。将顶层需求的权衡分析问题转换为对飞机总体设计参数的优化问题。选择“经济性、舒适性、环保性、适应性、安全性/可靠性”这5条判断准则，建立民机顶层需求综合评价模型，评估顶层需求的综合竞争力。以竞争力最大为目标，优化概念方案，确定最优的顶层需求组合。在宽体客机案例中，得到了比初始需求更合理的顶层需求，验证了所提方法的可行性。     

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。