流-固-推进耦合下的机体/推进一体化性能分析

吸气式空天飞行器的一体化性能随扰动变化的敏感性高,在高马赫数飞行条件下,有必要开展流-固-推进耦合性能分析。针对机体/推进一体化布局的吸气式飞行器,明确一体化部件之间的耦合关系和耦合问题,利用CFD、有限元和准一维流方法,结合本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)降阶手段,建立吸气式空天飞行器流-固-推进多物理场耦合快速分析方法,并开展多场耦合特性分析。结果表明:(1)进气道压缩面的流-固耦合导致出口静压的最大振荡振幅约为平均静压的21.6%,而出口马赫数的最大振幅约为平均马赫数的8.45%。(2)进气道出口性能的振荡会影响发动机的推力性能,导致推力振荡幅值可达平均值的31%,且随着时间的推移,会在进气道外压缩流场产生大量的气动涡,涡结构进入进气道后会导致进气道出口性能的持续下降,进一步削弱了发动机的平均推力性能。     

高超声速飞行器气动热耗散、输运及转换技术研究进展

针对高超声速飞行器面临的严重气动热集中、累积和时变问题,从气动热耗散、输运和转换三个方面,分别论述了被动热耗散材料、结构和主动热耗散技术,基于高导热材料、热管和工质对流的热输运技术,以及再生转换和热电转换技术的研究现状及其在高超声速飞行器上的应用案例,提出了上述技术在面临高超声速气动热时存在的问题。最后,针对高超声速飞行器气动热耗散、输运和转换技术的发展趋势进行了展望。     

飞行器体系优化设计问题

针对传统的飞行器设计与体系（SOS）设计相互独立造成的飞行器实际作战效能不足的问题,对同时考虑飞行器与体系耦合设计的飞行器体系优化设计问题展开研究。首先,根据体系工程（SOSE）原理给出了耦合飞行器设计与体系结构设计的飞行器体系优化设计问题的基本概念与通用数学定义;其次,基于多层体系架构,构建了飞行器体系设计优化模型,提出了包含问题定义、体系架构建模、学科建模、优化求解4个步骤的通用建模求解流程;最后,以巡飞/精确打击武器协同作战为例,构建了面向任务成本最低、时间最短的协同作战体系最优化问题并对其进行优化求解。与先设计飞行器后设计体系结构的解耦设计结果对比表明,解耦优化设计忽略了体系结构与飞行器的强耦合特征,无法最优化体系效能;耦合优化设计能够获得体系效能最大化的飞行器设计方案。     

超燃冲压发动机可调尾喷管多目标优化设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律.以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线.仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程.     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。     

有动力空间再入打击飞行器航迹优化

提出了有动力再入打击飞行器的航迹优化方法。基于标准的大气模型、数值的气动模型,考虑地球自转效应,建立了有动力再入打击飞行器的航迹优化模型。将再入航迹分为助推加速段和无动力滑翔段分别优化,从而得到优化航迹。算例表明,该方法得到的航程比最大升阻比航迹增加7.3%。因此,该方法用于有动力再入航迹的优化是有效的、可行的。     

基于落点预测的高旋火箭弹弹道修正算法

高旋火箭弹的修正控制是基于等效力实现的二维弹道修正控制，由于弹体存在陀螺进动和马格努斯效应，在控制力作用下产生的附加攻角引起的升力与控制力的矢量合为等效力，其大小与方向在控制过程中不断变化，不能简单根据偏差量（修正量）的比例关系来确定控制力的方向。基于此，分析了控制力与等效力的关系，提出了一种基于弹道落点预测的控制算法。首先利用弹道落点预测模型实时预测落点与目标的偏差量，然后利用小扰动法构造偏差量对控制量的敏感系数矩阵，通过偏差量与敏感系数矩阵解算出纵、横两个方向的需用控制量。采用修正前后速度矢量的位置关系得到控制量的合矢量及其方位角，并利用控制量的合矢量与等效力计算出控制周期，在控制周期内按照等效力方位角调整控制力的方向实现对高旋火箭弹的精确控制，解决了非线性耦合问题。仿真结果表明该算法具有较高的控制精度，为工程应用提供理论依据。     

时变可靠性分析的高效近似最大可能轨迹法

现有的时变可靠性分析方法在处理飞行器复杂时变可靠性分析问题时，存在求解效率过低的问题。在基于近似最大可能轨迹的时变可靠性分析方法的基础上，根据时间离散所得串联系统瞬时可靠度最小的组件决定整个系统可靠度的特点，在最大可能轨迹自适应建模过程中同时考虑轨迹模型的预测误差和预估值增加样本，提出时变可靠性分析的高效近似最大可能轨迹法；采用解析算例验证最大可能轨迹自适应采样方法的有效性，并将该可靠性分析方法应用于水动力涡轮叶片和某空天飞行器机翼的时变可靠性分析。结果表明：在精度相近的情况下，所提方法对极限状态函数调用次数不高于基于时间离散的可靠性分析方法的3%。     

组合动力空天飞行器关键技术

针对组合动力系统的工作特征和空天飞行器的任务特点，总结组合动力空天飞行器面临的主要问题，并梳理了该类飞行器存在的主要关键技术。从气动布局、机体/推进一体化、热防护/热管理、制导、控制、地面和飞行试验等方面，详细阐述各类关键技术存在的难点，总结各类技术的发展现状，并分析给出未来可能的发展途径和方向。相关研究可指导未来组合动力空天飞行器的技术攻关。     

一种新的多学科设计优化方法

针对协同优化方法自身结构存在的缺陷,对其加以改进,提出一种新的单级多学科设计优化方法(ACO)。将协同优化方法中的系统相容性约束作为另一个目标函数与原来系统级目标函数交替进行优化,从而直接避免了原协同优化方法中由于相容性等式约束而带来的系统级优化求解计算困难等问题。测试结果表明新方法是可行的。