飞翼布局组合舵面航向控制特性综合研究

寻求高效实用的航向控制措施一直是飞翼布局飞行器设计的难点。提出了一种由外翼上翼面嵌入式阻力舵和其相对应的后缘副翼组成的组合舵航向控制措施,通过CFD方法、风洞试验和模型飞行试验3种研究手段,综合研究了单独部件和组合舵在低速、亚声速时的航向控制特性。结果表明：单独阻力舵的航向控制能力比较强,但与纵横向力矩耦合严重,需与其他舵组合使用;单独副翼的航向控制能力很弱,且与纵横向力矩耦合非常严重,建议不单独作为航向控制措施使用;组合舵的航向控制能力强,选取阻力舵与副翼的舵偏角角度差在0°~5°范围的组合舵方案,可以大幅度削弱与纵横向的力矩耦合程度,实现操纵舵面解耦设计;无论单独部件,还是组合舵,舵偏角为0°~6°范围的力矩变化规律较差,建议通过预置舵偏角等方式避开此角度区域。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

高速风洞运转特性数值模拟

下吹-抽吸式高速风洞的起动和运转对模型测试有重要影响。为分析试验模型和扩压器对风洞起动和运转特性的影响,采用数值模拟方法,使用二维轴对称模型对Φ0.5m高速风洞的流场进行了研究,控制方程为粘性可压缩Navier-Stokes方程。对马赫数5和10两种状态下的流场行了对比,结果表明,试验段基本流态受试验舱静压控制,收集器对流动状态有很大影响。当带模型运转时,试验段内激波结构更为复杂,出现明显溢流,总压损失更大,所需起动压比越大;扩压器平直段直径决定了其静压恢复效率。扩压器平直段直径增大或安装模型时,临界运转压比都会明显增大;且马赫数越大,受到的影响越大。马赫数5带模型起动时,扩压器平直段直径0.5m,气流壅塞,风洞无法启动。无模型时,当平直段直径0.45m,扩压器不能发挥静压恢复作用,风洞运行时间明显缩短。     

高超声速飞行器多目标气动优化设计

随着高超声速飞行器的发展,其外形优化受到了广泛关注。应用一种新型的改进多目标布谷鸟优化搜索算法(IMOCS),采用修正的牛顿法与面元法相结合来获得高超声速飞行器的气动性能,采用自由变形参数化方法(FFD)来进行外形的参数化,以最大化容积率和升阻比为设计目标,开展了高超声速滑翔飞行器的多目标气动外形优化设计,获得了综合容积率及升阻比性能更高的气动外形,验证了方法的有效性。最后,将IMOCS算法和当前主流的多目标优化算法NSGA-Ⅱ进行了对比,结果表明,IMOCS算法的效果明显优于NSGA-Ⅱ。     

高超声速飞行器滑模控制参数整定方法设计

本文针对高超声速飞行器滑模控制人工试凑的参数整定方法较为繁琐、效率低的问题,改进了连续动作学习自动机（Continuous action reinforcement learning automata, CARLA）算法并将其应用于滑模控制参数整定问题中,改进后的算法通过对回报函数的设计有效克服了常规CARLA算法收敛速度慢、易受干扰、求解效率低的问题。该算法引入控制性能指标评价函数,在迭代中学习阶跃响应的经验数据,实现了控制参数自整定。仿真表明,对于阶跃响应问题,本文提出的算法能够在100次迭代中整定出一组高品质的控制参数,完成对给定指令的快速准确跟踪,与遗传算法、模拟退火算法相比,在求解速度上具有显著优势。由于该方法不依赖于模型,除了滑模控制器参数整定外对其他控制方法的控制参数整定问题也有一定适用性,具有推广应用价值。     

风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模

采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法模拟致动盘,研究了尾流边界的发展过程。为了准确捕捉尾流边界细节,根据尾流边界的速度梯度远远大于流场中的其他区域的速度梯度的特性,使用自适应弹簧网格技术,使网格的最密区域始终跟随尾流边界运动。基于该数值模拟结果建立了一个尾流边界模型。该模型将尾流的发展分为与粘性无关的膨胀过程和与粘性相关的扩散过程,建模结果与实验结果吻合。在此基础上,还利用该模型对高斯分布预测(Gaussian distribution prediction,GDP)尾流模型进行了修正,使其更加准确。     

透风性女儿墙对尖屋顶风荷载的影响

应用风洞模拟方法研究了透风性女儿墙对尖屋顶风荷载的影响。女儿墙共有七种,包括三种孔型、两种截面和三种孔隙度。屋顶角为19°。在约为1%和5%两种湍流度的均匀气流中测量了这些女儿墙引起的屋顶风压分布的变化,包括平均风压、峰值风压、风压脉动的均方根值。试验结果表明:七种女儿墙都能程度不同地减小屋顶的平均风压与负的峰值风压,其中第7种女儿墙效果最好;湍流度增大会明显提高风压脉动的均方根值,使峰值风压增大。     

“嫦娥一号”卫星观测近月太阳风离子特征

"嫦娥一号"卫星的太阳风离子探测器(SWIDs)的科学目标是研究太阳风与月球的相互作用以及相应的近月空间等离子体环境。文章利用"嫦娥一号"卫星SWIDs探测器在2007年12月30日的观测数据对近月太阳风等离子体环境,包括向阳侧太阳风离子、"拾起"离子以及在月球尾迹边界处的太阳风离子的特征进行分析,得到以下主要观测结果:1)在慢速太阳风中观测到双峰结构,分别为太阳风中的氢离子和二价氦离子;2)在行星际磁场具有明显昏向(+By)分量期间,在月球向阳侧持续观测到有月表散射或反射后被拾起的太阳风离子;3)与入射的太阳风离子不同,这些拾起的太阳风离子具有明显的角度分布特征;4)在行星际磁场昏向(晨向)期间,太阳风中的氢离子在月球尾迹北半球的边界处呈现减速(加速)特征并进入尾迹;而并未发现氦离子进入尾迹的特征。"嫦娥一号"卫星的这些观测数据对于认识近月空间等离子体环境有着重要的意义。     

高超声速巡航导弹前体/进气道概念设计与优化

基于高超声速巡航导弹总体设计要求,采用等激波强度方法设计了前体/进气道基准构型,并运用数值模拟方法对基准构型进行了性能分析.在试验设计和CFD计算结果的基础上建立了前体/进气道优化设计模型,运用多目标粒子群算法对前体/进气道进行了优化设计,对优化后的前体/进气道进行了性能验证分析.结果表明:前体/进气道设计方法正确有效,基准构型能够满足设计的要求;通过多目标优化设计,可以找到设计变量之间的有效组合,能够进一步提高前体/进气道的综合性能.研究结果对导弹用超燃冲压发动机的总体设计具有一定参考价值.     

基于人工粘性的间断Galerkin有限元方法

发展了一种基于人工粘性的间断Galerkin有限元方法,作出改进以增强适应性,并向非均匀网格推广.选取了典型算例对方法进行验证.一维激波管算例表明,改进的方法在保持计算结果高分辨率的同时,能够更好地抑制非物理振荡.分析得知,当人工粘性方法用于二阶DG格式时,所得计算结果的数值耗散较大,而当格式精度大于二阶时,采用人工粘性方法所得的结果的分辨率较高.通过计算圆柱高超声速粘性绕流,将三阶DG格式与三阶MUSCL格式和五阶WENO格式的结果进行对比,结果表明,该人工粘性方法对于高超声速流动计算也具有一定的优势.