不同舵翼操纵面形式的水动力及艇后流场特性数值模拟研究

为研究共翼型舵和非共翼型舵两种操纵面形式的艇后流场特性及螺旋桨推进特性，基于SST(Menter)湍流模型建立了SUBOFF标准潜艇模型尾流场数值预报模型。经试验结果验证，所建立数值模型进行潜艇尾流场及螺旋桨推进性能预报具有较高精度。将SUBOFF潜艇模型的水平舵改进为共翼型舵及非共翼型舵，对艇后流场及水动力性能进行了预报。数值结果表明：在舵角小于10°时，共翼型舵使潜艇的俯仰力矩和垂向力相对非共翼型舵提升20%以上；在舵角超过10°时，共翼型舵的水动力优势随着舵角增大而减小。尾部流场预报显示：共翼型舵在小舵角时可以有效的消除舵翼结合处的涡流，同时共翼型舵可以有效的降低桨盘面伴流的不均匀性，对尾流品质的改善效果优于非共翼型舵。螺旋桨计算结果显示：共翼型舵螺旋桨推进系数在大部分舵角下都小于非共翼型舵，在舵角为20°时，共翼型舵相对非共翼型舵推力系数下降3.5%，扭矩系数下降2.4%；同时共翼型舵的桨盘面流场均匀度要优于非共翼型舵，舵角为5°时，共翼型舵桨盘面处流场不均匀度相对于非共翼型舵要降低7.1%，舵角为25°时则降低25.1%。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型；结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能；从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

GEO/IGSO混合区域导航星座的设计与优化算法

区域导航星座能够以较低成本和较短时间获得目标区域导航能力，且地球同步轨道是构建非极区区域导航星座的重要轨道类型。提出一种基于GEO（地球静止轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）的区域导航星座设计方法。基于星下点轨迹特性构造对称星座设计参数和优化参数集，并考虑地球扁率长期摄动影响，计算星座轨道参数。以导航服务区的统计GDOP（几何精度因子）为目标函数，利用差分进化算法构建星座优化模型。以印度IRNSS的7星星座为例，仿真检验了设计和优化算法的正确性，讨论了IRNSS星座优化构型和轨道类型选取。本方法采用的对称星座设计参数少，能够提升GEO/IGSO混合区域导航星座的全局优化效率，为后续非对称星座快速提供最佳星数和构型设计。     

基于光场成像的快照式气膜孔三维测量技术

叶片气膜孔的几何参数对其冷却效率具有十分重要的影响，需采取有效手段对加工的气膜孔几何参数进行检测。基于光场成像原理，初步探索了单光场相机快照式三维测量技术在气膜孔检测上的应用。与其他光学测量技术相比，该技术仅通过一次拍摄，即可快速从捕获的单张原始光场图像中计算得到气膜孔的三维点云数据，其数据采集效率很高。实验中对一组标准量块进行了测量，展示了单光场相机应用于工业级精密测量的潜力。对实际叶片上气膜孔几何参数的检测结果初步表明了该技术应用于气膜孔三维测量的可能性。由于单光场相机成像系统的结构简单，易于操作且便于与其他传感器设备集成，可为气膜孔三维测量问题提供一种新的解决方案。     

Time delay compensation in lateral-directional flight control systems at high angles of attack

The previous studies of time delay compensation in flight control systems are all based on the conventional aerodynamic derivative model and conducted in longitudinal motions at low angles of attack. In this investigation, the effects of time delay on the lateral-directional stability augmentation system in high-α regime are discussed based on the $\dot{\beta }$ model, which is proposed in our previous work and proved as a more accurate aerodynamic model to reveal the lateral-directional unsteady aerodynamic characteristics at high angles of attack. Both the $\dot{\beta }$ model and the quasi-steady model are used for simulating the effects of time delay on the flying qualities in high-α maneuvers. The comparison between the simulation results shows that the flying qualities are much more sensitive to the mismatch of feedback gains than the state errors caused by time delay. Then a typical adaptive controller based on the conventional dynamic derivative model and a gain-prediction compensator based on $\dot{\beta }$ model are designed to address the time delay in different maneuvers. The simulation results show that the gain-prediction compensator is much simpler and more efficient at high angles of attack. Finally, the gain-prediction compensator is combined with a linearized $\dot{\beta }$ model reference adaptive controller to compensate the adverse effects of very large time delay, which exhibits excellent performance when addressing the extreme conditions at high angles of attack.     

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。     

几何尺寸约束的超燃冲压发动机推力喷管设计

针对机体/推进系统一体化要求，提出了一种几何尺寸约束的超燃冲压发动机推力喷管设计方法，以实现在满足几何约束条件下优化喷管的气动性能。采用数值模拟对提出的设计方法展开了研究，在此过程中，首先校核了数值方法有效性并确定了网格分辨率。进一步就喷管设计过程中2个关键设计因子——比例因子和非对称因子开展了影响研究。最后为验证本文提出的设计方法的有效性和优越性，将其与典型截短设计方法进行对比分析。结果表明，相比截短方法，本文提出的设计方法不仅能够获得满足几何约束的喷管，同时可使喷管推力系数、升力和俯仰力矩分别提升33.36%、265.75%和37.21%。此外，本文提出的设计方法还可以通过调整设计因子来获得不同气动性能的喷管，进而满足应用过程中的实际需求。     

涡轮基组合循环发动机分布式控制系统通信网络混合拓扑结构优化方法

涡轮机组合循环(Turbine based combined cycle,TBCC)发动机控制系统通信网络拓扑结构是其分布式控制系统方案设计的重要部分,优化网络拓扑结构可提高发动机推重比和控制系统可靠性。本文基于智能优化算法提出TBCC分布式控制系统网络拓扑结构优化方法。基于图论建立TBCC几何模型和网格模型,以重量和可靠性为优化性能指标,同时考虑发动机表面高温区域以及控制节点的工作可靠性,分别采用粒子群算法和遗传算法优化星形结构中智能中央节点位置、中央节点的环形拓扑结构,获得星形-环形混合拓扑结构。仿真实例表明,基于本文方法优化所得的混合拓扑结构相较于星形集中式控制结构,系统重量降低了51.9%。     

Shaping low-thrust trajectories with thrust-handling feature

Shape-based methods are becoming popular in low-thrust trajectory optimization due to their fast computation speeds. In existing shape-based methods constraints are treated at the acceleration level but not at the thrust level. These two constraint types are not equivalent since spacecraft mass decreases over time as fuel is expended. This paper develops a shape-based method based on a Fourier series approximation that is capable of representing trajectories defined in spherical coordinates and that enforces thrust constraints. An objective function can be incorporated to minimize overall mission cost, i.e., achieve minimum $\mathrm{\Delta }V$. A representative mission from Earth to Mars is studied. The proposed Fourier series technique is demonstrated capable of generating feasible and near-optimal trajectories. These attributes can facilitate future low-thrust mission designs where different trajectory alternatives must be rapidly constructed and evaluated.     

Kalman弹道滤波器的快速收敛性研究

在弹道修正过程中，需根据一段实测弹道参数，准确地估算常规弹箭的飞行弹道。工程中，常应用Kalman滤波方法，结合质点弹道模型建立六状态滤波弹道模型。速度初值估计的准确性，是对滤波过程造成影响的主要因素。为改善这一状况，采用多项式拟合用以对速度状态进行估计并以此作为滤波初始值。在此种估计下滤波，速度滤波过程可快速收敛，位置滤波过程收敛速度大幅度提高，可使最优弹道诸元参数获取时间缩短30%。