基于机器学习的空间翻滚目标实时运动预测

借助监督式机器学习（ML）方法，对空间翻滚目标的运动状态预测问题进行研究，为空间机器人抓捕空间翻滚目标提供可靠的数据依据。基于物理模型的运动预测方法依赖理想的建模假设，需要连续的视觉反馈信息，解决目标预测问题的能力有限。因此，本文采用机器学习中纯数据驱动方式的稀疏伪输入高斯过程（SPGP）回归方法进行空间翻滚目标的运动预测。给定空间翻滚目标运动状态的历史观测数据，通过连续优化真实观测数据，得到稀疏的伪训练数据集，进而在线快速预测目标的运动状态，预测的计算效率达到毫秒级。此外，利用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法处理连续优化过程，克服由于随机初始值造成的优化过程陷入局部极小值问题。利用Snelson数据验证了所提稀疏伪输入高斯过程回归方法的正确性，并通过4组仿真算例验证了所提方法对于空间翻滚目标运动预测的有效性和鲁棒性。     

径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响

为了研究径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响并对其进行准确预估，以径向圆孔液束的相对变形模型为基础，通过类比分析提出了矩形孔的相对变形理论模型，并考虑多喷注单元间相互影响和不同高宽比矩形孔的绕流侧边效应，首次建立了径向矩形孔的下漏率模型。通过试验及数值仿真对模型进行了验证分析，结果表明理论预估结果与数值仿真及试验结果吻合较好，也表明针对矩形孔建立的相对变形模型及下漏率模型具有较好的准确性。另外，研究表明矩形孔的下漏率除了与几何阻塞率、有效动量比及液膜厚度与液束孔宽度之比有关外，还与高宽比有关；3种不同高宽比情况下的下漏率均显著小于几何下漏率；同时下漏率随有效动量比增大而增大的趋势均较平缓。综合分析径向圆孔和3种不同高宽比矩形孔的结果发现，在径向孔横截面积及流量等工况参数完全相同的情况下，径向孔形状对下漏率有显著的影响，矩形孔的下漏率显著低于圆形孔的；矩形孔的高宽比越大，下漏率越大。实际应用中选择矩形孔更有利于控制下漏率，并可通过改变高宽比控制下漏率；同时在变工况过程中，矩形孔的下漏流量也会随着主路推进剂一起调节变化，保持下漏率变化不大，故具有较好的大范围变推力流量匹配特性。     

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。      

二次流对带间隔式进气门引射喷管流场的影响

通过仿真研究了跨声速飞行状态下（Ma=1.2）一种带间隔式进气门的引射喷管流动特性，获得了二次流对三次流流动状态、喷管流动结构以及推力性能的影响规律。结果表明：带有间隔式辅助进气门的引射喷管内部存在显著的横向流动，诱导产生了多对流向涡结构，沿着流动方向流向涡的尺度逐渐减小。主流始终处于过膨胀状态，主导了引射喷管的内流流动，并和二次流之间形成了一道剪切层结构。随着二次流落压比的升高，二次流和三次流流量增加，其对主流的束缚作用增强，主流过膨胀现象得到有效抑制，推力性能从0.698增加至0.819。     

基于残差NLSTM网络和注意力机制的航空发动机剩余使用寿命预测

针对长短期记忆（LSTM）网络对于多维数据特征识别和提取上存在不足的问题，在其改进模型嵌套式长短期记忆（NLSTM）网络的基础上，提出了一种基于注意力机制和残差NLSTM网络的剩余使用寿命预测方法。该方法将双层NLSTM网络代替残差块中的主网络，保留捷径连接中的卷积神经网络结构，既能充分提取时序特征又能保证有用数据在网络层中的跳层传递，并融入注意力机制构建多层残差网络，注意力机制的使用能够选择出对预测结果有重要影响的信息，有效提高预测的准确率。在航空发动机退化实验数据集上进行实验分析，结果表明：所述方法能有效建立监测数据与发动机健康状态之间的关系，剩余使用寿命预测误差较未改进残差结构方法平均降低10.8%，比未融入注意力机制方法平均降低18.9%，有效提高了预测精度。     

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性，提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先，建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后，为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性，建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后，基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理，将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题；为提高路径约束的可靠度评估效率，基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进，进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明，所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性，可以满足工程可靠性指标要求，同时还具有较高的精度和计算效率。     

受轮缘密封结构影响的1.5级涡轮封严流与主流的相互作用以及轮缘密封间流动干扰

为探究动叶上游不同轮缘密封结构封严出流对1.5级涡轮端区流场及轮缘密封间流动干扰的影响区别，通过Shear Stress Transport （SST）湍流模型对无密封腔室，上游密封结构分别为简单斜向、简单径向，下游密封腔室为简单轴向的1.5级涡轮进行了非定常数值模拟。结果表明：轮缘密封间干扰使带径向密封结构模型的下游轮缘腔室内封严效率偏低，并增强了固有的非定常不稳定特性。上游密封结构变化对动叶和第2级静叶流动的影响差异分别位于35%、65%叶高范围内；径向密封结构增加了上游静叶的堵塞效应、动叶入口气流的欠偏转程度、叶根吸力面负荷与14%叶高以上的轮毂通道涡强度，并在第2级静叶入口处产生更多低频压力波动，使其尾缘脱落涡尺度增大但13%叶高以上的轮毂通道涡强度较弱。与无密封腔室相比，通入封严气体总量为主流流量的0.8%时，带斜向密封结构的1.5级涡轮气动效率降低了0.94%，且带径向密封结构的1.5级涡轮气动损失额外增加了0.17%。     

潜入式喷管喉衬界面间隙优化设计

为了解决固体火箭发动机潜入式喷管喉衬在热载荷与内压联合作用下界面间隙优化问题，数值模拟方法求解了喷管热结构响应。采用流体仿真软件，计算了潜入式喷管流动过程的稳态流场，获取了高温燃气流动参数与固体壁面对流换热系数。并采用三维有限元结构计算平台，编写了非均布壁面压力载荷与非均布对流换热系数子程序，求解了喉衬前后搭接界面间隙在0mm，0.05mm，0.10mm，0.15mm，0.20mm下喷管热结构耦合问题，获取了材料内部温度场与应力场分布。结果表明，喉衬环向压应力与拉应力都随时间增加，先增大后减小。其次，随间隙增大，喉衬拉应力先减小后增大，喉衬压应力先增大后减小。再次，依据界面闭合与喉衬环向受力最小的准则，确定了喉衬前后间隙的相对最优值，前间隙相对最优值0.10mm，后间隙相对最优值0.05mm。本文数值方法可为喷管热防护材料界面搭接与喉衬界面间隙设计提供指导，也可应用于评估喷管热防护与结构强度安全余量。     

Zukauskas关系式用于微细管式预冷器适用性的评价与分析

为研究Zukauskas关联式在计算微细换热管束管外换热特性上的适用性，本文利用数值分析方法，在分析空气横掠微细管束换热特性基础上，发现空气横掠管束入口几排换热管的换热尤为强烈，温降过程沿着流动方向呈现由急变缓的特点，剧烈的温度变化造成Zukauskas关联式按照一般均物性方法计算时，计算结果偏高27%以上；对比分析可知，过于剧烈的温度变化使基于换热管束整体给出的对数平均温差作为平均换热温差的处理方法不再适用；根据空气温度变化的特点，按照流动方向将换热区域分成若干部分，再分别利用Zukauskas关联式计算，预测精度得到了极大改善，当换热区域划分成12部分时，平均计算偏差降为了5.8%，鉴于此，在计算骤冷条件下气体横掠管束换热特性时，建议采用适当的分区方法进行计算。     

内装式空射运载火箭重力出舱机箭耦合动力学分析

研究了以运输机为平台的内装式运载火箭空射过程载机和火箭的耦合动力学建模。建模针对两个阶段：第一阶段，火箭固定于载机机舱内，两者构成一个整体，按照普通刚体的力学方法处理；第二阶段，火箭解锁后，沿着舱内的发射筒向外滑行，载机和火箭形成两刚体相互作用的耦合系统，基于牛顿-欧拉法建立系统动力学模型。载机在空射火箭过程中，油门和升降舵满偏，在加速前飞的同时拉大姿态俯仰角，火箭在自身重力分量和惯性力的作用下，沿着机舱内的发射筒加速向外滑行，直至与载机分离。数值仿真分析了空射过程载机的重要力学参数的变化过程，验证了载机操控策略的可行性和安全性，可为未来中国空射运载火箭技术设计提供数据参考。