带攻角约束的高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对带攻角(AOA)约束的高超声速飞行器控制问题，提出一种基于非对称时变障碍函数的非线性自适应反步控制方法。首先，将飞行器模型化为严反馈形式，以反步法为基础进行控制器设计。然后通过光滑饱和函数对名义攻角指令信号进行限幅，并保证限幅信号的可导性，限幅产生的误差通过设计辅助系统进行补偿。进而使用障碍函数对攻角指令跟踪误差进行非对称时变约束。针对不确定性和干扰，设计新型自适应律对集中干扰上界进行估计并补偿。最终通过Lyapunov理论证明了闭环系统状态量一致最终有界并且攻角始终满足时变约束。仿真结果表明，本文方法能够在满足攻角约束基础上保证良好跟踪性能。     

Six sigma robust design optimization for thermal protection system of hypersonic vehicles based on successive response surface method

Lightweight design is important for the Thermal Protection System(TPS) of hypersonic vehicles in that it protects the inner structure from severe heating environment. However, due to the existence of uncertainties in material properties and geometry, it is imperative to incorporate uncertainty analysis into the design optimization to obtain reliable results. In this paper, a six sigma robust design optimization based on Successive Response Surface Method(SRSM) is established for the TPS to improve the reliability and robustness with considering the uncertainties. The uncertain parameters related to material properties and thicknesses of insulation layers are considered and characterized by random variables following normal distributions. By employing SRSM, the values of objective function and constraints are approximated by the response surfaces to reduce computational cost. The optimization is an iterative process with response surfaces updating to find the true optimal solution. The optimization of the nose cone of hypersonic vehicle cabin is provided as an example to illustrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法，将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明，高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题，对层流流动下的对流传热，不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响，而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用；对湍流问题，除了上述层流流动各项对热流密度的影响外，还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义，高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

拦截高速目标的比例与反比例导引捕获区分析

针对拦截高速目标的作战特点，分析了比例导引(PN)与反比例导引(RPN)的捕获区。首先，通过分析拦截弹与目标的相对运动关系，推导得到了顺轨和逆轨的零控拦截条件，此条件由目标和拦截弹的速度前置角以及二者速度比确定；其次，以拦截弹和目标速度前置角为坐标系，推导得到了PN以及RPN捕获区以及各自导航比设置范围。PN的捕获区由逆轨零控拦截条件以及与其相切且斜率为1/(N-1)的两条直线构成，RPN的捕获区由顺轨零控拦截条件以及与其相切且斜率为1/(-N-1)的两条直线构成；然后，利用函数对称性将PN与RPN捕获区转换到同一坐标区间，得到了相同条件下RPN捕获区要大于PN捕获区的结论；最后，开展了四种情形下的仿真，验证了本文捕获区分析的合理性及有效性。     

Numerical analysis of hypersonic thermochemical non-equilibrium environment for an entry configuration in ionized flow

A theoretical methodology for thermochemical non-equilibrium flow combing with the HLLC (Harten-Lax-van Leer Contact) scheme was applied to study the hypersonic thermochemical non-equilibrium environment of an entry configuration in ionized flow. A two-temperature controlling model was utilized and the Gupta’s 11 species (N₂, O₂, NO, O, N, NO⁺, N₂⁺, O₂⁺, N⁺, O⁺, e^?) thermochemical non-equilibrium model was taken. Firstly, numerical calculations of hypersonic thermochemical non-equilibrium environments for different aerodynamic shapes were carried out to verify the reliability of the method above. Then, the method was used to research the effects of ionization and wall catalysis on the hypersonic thermochemical non-equilibrium environment of the entry configuration in ionized flow. The shock stand-off distance can be reduced by thermochemical reactions but doesn’t continue to decrease significantly when ionization occurs. The shock stand-off distance calculated by the 11 species model is 4.2% smaller than that calculated by the 5 species (N₂, O₂, NO, O, N) thermochemical non-equilibrium model without considering ionization. Ionization reduces wall heat flux but increases wall pressure a little. The effect of ionization on aerothermal loads is greater than that of aerodynamic loads. The thermochemical reactions of electrons and ions catalyzed at the wall increase wall heat flux significantly but make a small change in wall pressure. The maximum wall heat flux obtained by only considering the electrons and ions catalyzed at the partially catalytic wall condition is 11.8% less than that calculated at the super-catalytic wall condition.     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内，通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术，分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析，得到了边界层中扰动波的发展规律，定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中，其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小；特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz，前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm，前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm )；后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游，边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比，两者吻合较好。     

谱估计理论在弹道数据参数化建模中的应用

针对高超声速飞行器防御作战中目标运动规律的描述问题，提出一种基于经典和现代谱估计理论的弹道数据参数化分析和建模方法。该方法将弹道数据视作非平稳随机信号，研究其变化规律：首先，通过线性消势法消除信号的线性趋势，将其转变为平稳信号，以便于进行谱估计；然后，采用Welch算法给出大致的谱图，结合该谱图和改进的协方差法确定自回归参数模型的阶数，以避免模型阶数选择准则引起的不确定性问题；最终，给出弹道数据的参数化模型。仿真结果表明，使用本文算法建立的弹道数据参数化模型与动力学模型具有较高的一 致性。     

大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响,选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器(TPS)短舱和真实发动机短舱作为研究对象,采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明:由于TPS流量低于真实发动机需求,其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同,阻力特性也有差别;在进气道处于亚临界状态时,TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位,又由于唇口当地气流攻角更大,使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°;当进气道工作于超临界状态时,TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性,但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化,使得在0°~20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱,而在20°~30°攻角时其阻力系数略低,差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机,未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响,但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。     

周向总压畸变对对转压气机影响效应分析

以对转压气机为研究对象,在数值方法校验的基础上,应用全通道定常流场分析手段计算了对转压气机不同周向畸变条件下的三维流场,获取了周向总压进气畸变对该压气机性能以及流场结构的影响效应,确定了对转压气机的临界畸变角,分析了不同畸变强度对压气机性能的影响规律,探讨了周向总压畸变在对转压气机中的发展演化过程。结果表明:(a)所研究的对转压气机临界畸变角约为72°,略高于传统动-静叶排交替的压气机临界畸变角;(b)相比均匀进气工况,当畸变指数为0.24时,对转压气机失速点压比和失速裕度分别下降3%和9.6%,当畸变指数为0.5时二者分别下降8.3%和19.8%;(c)未畸变区与畸变区流体之间存在的压力梯度影响转子叶片相对来流速度。进入畸变区叶片来流相对速度减小,负荷降低,退出畸变区叶片来流相对速度增大,负荷增大;(d)上游转子使得畸变水平提高,下游转子反向旋转效应抑制了来流相对速度变化趋势,增强了气流在其叶片通道中的掺混,使得畸变水平有所下降。     

内乘波式进气道与典型侧压式进气道的性能对比

采用流线追踪技术,基于一种有利于均匀性的基本流场,按内乘波式进气道设计方法生成了一个来流马赫数6.0且进出口形状均为矩形的内乘波式进气道。其设计马赫数、迎风面形状等因素均参照某典型侧压式进气道选取,以便与之对比。CFD计算结果给出了设计状态下该内乘波式进气道与某典型侧压式进气道的流量系数、总压恢复、动能效率等主要性能指标,发现该内乘波式进气道的各项性能参数均略优于侧压式进气道。在非设计马赫数、攻角、侧滑等非设计状态下类似的性能对比研究表明,该内乘波式进气道不仅在设计状态下可捕获98%的来流,而且在各非设计状态下也可捕获91%以上的来流,流量捕获性能优势明显。以上结果证实:实现三维压缩与激波贴口的内乘波式进气道是一种高性能的定几何进气道方案。