航天飞机再入大气层三维机动飞行的最大过载和热流峰值

本文研究了航天飞机再入大气层三维机动飞行时所产生的最大过载及驻点的热流峰值,提出了一种计算最大过载及热流峰值的解析方法。在一阶近似运动方程的基础上,建立了最大过载、热流峰值与航天飞机的升阻比、再入角、滚转角等参数之间的解析关系式,由之可简便地确定最大过载与热流峰值。文中分析了升阻比、再入角等参数对过载和热流的影响,并与再入三维轨道精确解的相应值作了对比,表明此种解法具有一定的精度,可供再入三维轨道特性的分析及航天飞机的初步设计阶段使用。     

大机动无人机飞行控制系统的设计与试验

本文着重介绍大机动无人机KJ-9C行控制系统的设计思想和所采取的技术措施,从而解决了如何稳定地进入和安全地退出大机动飞行,以及如何保持稳定盘旋等技术难题。通过方案选择、调节规律的确定、系统的组成、仿真技术的应用和机载鉴定试飞的全过程,证明这套控制系统既能满足无人机的战术要求,又易于工程实现。     

基于混合网格上的高温非平衡流的数值模拟

新一代再入飞行器及空间传输系统需要了解其飞行时的气动问题及热力学问题。数值模拟高空、低密度、高熵及非平衡流动是一具有挑战性的问题。本文针对带座舱飞船高超声速再入大气过程中存在的严重气动加热现象,利用混合网格及Osher逆风格式,数值求解了三维化学非平衡Navier-Stokes方程,其中化学模型是5组分1 7个化学反应的空气化学模型,对带座舱飞船再入高度为40 km和马赫数为2 0 ,1 0的化学非平衡流场进行了数值模拟,给出了迎角为0°和2 0°情况下的各个组分的密度分布、压力等参数,并与量完全气体的计算结果进行了比较。     

用于大机动飞行仿真的宽频带高速三轴转台

为满足一种新型大机动飞行器飞行姿态半物理仿真的要求,采用变增益液压伺服机构和变系数前馈补偿器等技术,对某三轴液压飞行仿真转台进行了改型研制。在转台具有良好低速特性的同时,其大振幅下的频宽和高速响应特性达到了国际同类转台的水平。所研究实施的技术方案,对研制新转台及旧有转台的技术改造都有参考价值。     

低温技术在航天航空中的应用进展

低温技术在现代航天航空科学中已获得广泛应用,本文从以下几个方面较全面地讨论了低温技术应用原理并简要介绍了它们在国内外航天航空中的一些重要应用及其进展。1.低温液体液氢/液氧推进剂火箭的特点,应用现状及新一代低温液体推进剂——液氧/轻烃火箭的原理和特点;2.液氢/液氧燃料空天飞机及液氢、液化天然气燃料航空飞机的特性和应用现状;3.低温风洞可在全雷诺数范围内进行气动试验的原理及工作特性;4.低温技术在空间科学中应用的主要领域及所需温度和制冷量范围,各种空间低温制冷方法的特点和应用现状;5.低温技术在再入飞行器冷却、空间环境模拟器、飞行器环境控制系统、生命保障系统等领域中的应用原理和特点。     

航天飞机高超音速大攻角气动力工程估算方法

本文给出了航天飞机轨道器在无粘、无侧滑和不偏舵情况下再入飞行高超音速大攻角气动力计算方法。对复杂的航天飞机外形,本文提出用三角形有限表面面元法来逼近,克服了已有方法中采用平面梯形面元逼近后近似外形有裂缝,有台阶等不连续的缺陷,其结果与实验结果吻合较好,从而证明用三角形表面面元法更为合理。     

高超声速圆球模型飞行流场的数值模拟和实验验证

对高超声速圆球模型飞行流场进行数值模拟 ,分别采用空气完全气体模型、平衡气体模型以及热化学非平衡 1 1组元气体模型求解非定常轴对称N -S方程组。使用有限差分时间相关法捕捉激波 ,得到了定常流场的解。差分方程隐式部分采用了LU -SGS方法以避免矩阵运算 ,对化学反应和振动能量源项采用预处理矩阵以解决刚性问题。由计算结果处理得到的阴影图和干涉条纹图与再入物理弹道靶实验照片进行了对比分析 ,验证了实验中圆球飞行流场大部分区域接近于平衡状态。     

用推力矢量控制技术改进超声速飞行器空气动力特性

为了提高某超声速飞机的空气动力学效率和机动性能,本文采用低阶的三维板块法和DATCOM半经验公式,在亚声速和超声速条件下,对不同马赫数和迎角情况计算了基本气动外形的飞机空气动力学特性、表面压力分布以及最大升力。此外还开发了一套软件以实现由引进的先进气动操纵面（如鸭翼等）控制的二维推力矢量技术。试验结果表明：气动操纵面结合推力矢量技术能够产生足够的低头力矩,且有能力满足高度机动飞行时的稳定性要求。此外,不论是亚声速还是超声速飞行,气动操纵面均可以提高气动效率5％-6％。     

重复使用飞行器嵌入式大气数据系统试验验证方法

可重复使用飞行器是目前航天领域的研究热点,而对于高速再入飞行器在再入大气层时,获得准确的迎角、侧滑角和动压等飞行参数对于控制稳定具有至关重要的作用。传统的外伸式空速管和迎角/侧滑角传感系统在高速状态下会下会引发一系列结构和防热问题,且无法适用于大迎角飞行状态。针对上述问题,设计了嵌入式大气数据系统（Flush air data system,FADS）。FADS以嵌入在机身表面的多测压孔压力信息测量为基础,结合压力分布模型进行大气参数的求解。分别通过试验室试验对FADS算法的正确性以及风洞试验对FADS全系统的适应性进行了验证。试验结果可以有效地对FADS的性能进行评估。     

200m自由飞弹道靶模型高精度视觉位姿测量技术

为精确测量弹道靶超高声速自由飞模型位姿变化参数以用于气动力参数辨识,中国空气动力研究与发展中心结合双目视觉定位技术和前光照相技术,在弹道靶上发展了超高声速自由飞模型的高精度视觉位姿测量技术。双目测量站沿模型飞行方向布置,试验前完成测量站单站标定、多站全局坐标关联等。模型进入测量站视场中心时,脉宽小于10ns的激光经扩束后照射表面带编码标记点的模型,同时双目测量站相机获得前光图像。试验后通过模型表面标记点识别解算,获得模型飞行过程的位姿参数。在解决靶室杂光滤除、前光光源出口光斑匀化、双目测量站全局关联、模型表面处理及标记点制作等技术的基础上,建立了200m自由飞弹道靶模型高精度视觉位姿测量系统。在200m自由飞弹道靶上开展了长165mm的20°锥模型的飞行试验,试验环境压力15kPa、速度2.7km/s,根据视觉位姿测量系统获得的锥模型在各测量站飞行位姿参数和激光器的出光时序,通过辨识获得锥模型的阻力系数和动导数等气动力参数,所得结果与AEDC G靶上的结果趋势基本一致。     

基于飞行特性的倾转旋翼机变直径方案研究

变直径倾转旋翼机作为一种新构型倾转旋翼机，通过对其飞行特性进行仿真，可根据仿真结果为设计阶段的变直径方案选择提供设计依据。本文建立了变直径倾转旋翼机飞行性能计算模型和非线性飞行动力学模型，并对样机进行仿真计算。根据参数对于飞行性能及配平结果的影响，规划算例样机的旋翼直径变化范围、变直径时机及变直径操纵策略，得到样机最佳旋翼直径变化范围为0.7R～1.15R，最佳变直径时机为：360 km/h固定翼模式前飞时完成旋翼直径增大过程，250 km/h固定翼模式前飞时完成旋翼直径减小过程。同时基于西科夫斯基变直径旋翼设计了一种变截面扭管形式的变直径旋翼操纵策略。     

类Starship飞行器大迎角动态特性数值研究

再入飞行器的动态稳定性是其任务成败的关键因素,因此有必要对新型类Starship飞行器大迎角动态特性进行深入研究。为辨识动导数,采用基于分区弹簧近似法动网格技术的非定常N-S方程求解器开展强迫振动的数值仿真。有限体积离散采用Roe格式及SST湍流模型,时间方向采用全隐式GMRES方法进行迭代求解。在高超声速弹道外形（Hyper ballistic shape,HBS）标模验证的基础上,获得了类Starship飞行器典型大迎角状态下不同飞行马赫数、重心位置、操纵面偏转角、迎角和减缩频率的俯仰动导数变化规律：典型状态下,俯仰动导数超声速时为负,亚声速时为正;随不同因素的变化,Ma=0.3和Ma=5.0时的俯仰动态特性差异明显;高速下操纵面上偏会导致阻尼减小,且后翼影响更显著。计算结果表明了本文方法在宽速域、大空域复杂外形飞行器动态特性辨识中的应用价值。     

大机动飞行中孤立旋翼的非定常空气动力模型

为提高旋翼他轴响应的预测,气动模型应当计入机动旋翼的尾迹畸变效应,而准确表示尾迹弯曲参数Kn是关键。为表达机动导致的各种效应,增广Peters-He有限状态尾迹模型可以吸收随飞行状态变化的Kn值。根据烟流实验,该参数随旋翼前飞速度、拉力和机动角速率而变化。旋翼的空气动力实验表明,旋翼轴接受准阶跃输入后,同轴及他轴的空气动力响应有过冲,且俯仰速率愈大,过冲幅值愈大。理论和实验结果的对比显示,为了正确计算机动飞行中的旋翼气动力,特别是操纵的他轴响应,应在模型中采用随状态变化的尾迹弯曲参数Kn。此外,在当前模型基础上联合动态尾迹畸变模型,计算出的旋翼力和力矩更接近试验数据。     

双频测速应答机灵敏度遥测参数异常下跳原因分析

针对某航天发射箭载测控合作目标双频测速应答机灵敏度遥测参数异常下跳问题,深入研究了连续波无线电外测系统的高精度测速原理,根据实际飞行弹道计算出地面连续波跟踪测量雷达系统4个测点相对于双频测速应答机接收天线的方向图,得出在灵敏度遥测参数异常下跳期间,由于迭代制导,火箭姿态变化剧烈,使得各测点的赤道面张角α变化范围较大,大大超出了双频测速应答机接收天线的增益要求,出现接收天线接收的信号变弱从而导致灵敏度在此时段异常下跳的结论。本文可为后续航天发射飞行中出现类似问题时的故障快速定位提供分析思路。     

脉冲燃烧风洞及其在火箭和超燃发动机研究中的应用

近期美国X-43A的飞行试验数据表明脉冲式风洞能够预测飞行性能。中国空气动力研究与发展中心(CARDC)20多年来一直在发展各种脉冲燃烧风洞技术及其在火箭高空羽流、超燃发动机研究中的应用。典型的四喷管火箭底部挡板采用涡轮废气排气方案能大大减少底部热流，这是脉冲式风洞的成功应用成果；在60-80ms脉冲燃烧风洞中首次进行了室温煤油燃料的超燃模型发动机试验，测量了发动机内流道中壁面压力和发动机推力，比较了脉冲式风洞和连续式风洞的试验结果。研究表明：在M=5、6试验条件下，煤油自发点火延滞时间约4ms，因而工作时间为60-80ms的脉冲燃烧风洞能够十分经济奏效地进行超燃模型发动机研究。笔者亦介绍了正在研制中的大口径脉冲燃烧风洞方案。     

综合离心环境试验技术研究进展

为了真实有效模拟航天飞行器的发射和再入环境,全面激发产品潜在的故障模式,需要发展综合离心环境试验技术。从环境耦合效应和试验技术研究两个方面,系统地总结了过载振动、过载温度、过载外压三种综合离心环境试验技术的研究进展,并对综合离心环境试验技术的工程应用和未来发展作了探讨与展望。     

昆虫的扑翼轨迹及高升力机理

通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓、独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数,分析了1个周期的扑翼过程、扑翼轨迹和翅膀变形等。蜻蜓的扑翼频率为22±3 Hz,独角仙的扑翼频率为30±5 Hz,鸣鸣蝉的扑翼频率为39±6 Hz;蜻蜓的翼尖轨迹为"8"字形,独角仙为类"8"字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力。研究昆虫飞行不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义。     

机械展开式再入飞行器气动性能分析与优化

机械展开式再入飞行器由于气动面积较大,可以有效地进行气动捕获和气动减速,但需研究分析主要气动外形参数对气动性能的影响并通过优化进一步提高减速效果。针对计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）开展再入飞行器外形优化计算量大、耗时多的问题,提出了一种基于反向传播（back propagation, BP）神经网络的气动性能优化方法。在对再入飞行器参数化建模的基础上,首先采用正交试验设计生成样本,通过CFD方法进行高精度气动力性能计算,对样本计算结果进行方差分析;再利用BP神经网络对生成的样本集进行非线性拟合,构建神经网络气动性能近似模型;最后使用多岛遗传算法和BP神经网络模型开展阻力最大的气动外形设计优化,并对优化结果进行参数灵敏度分析。结果显示,该优化方法可以快速准确地求解优化模型,在保证精度的同时大幅提升了计算效率,可为未来工程设计和应用提供参考。     

一种无人机鲁棒自适应控制律设计

针对现代无人机作战时存在强不确定性、全包线大机动飞行时的强非线性、战损/故障导致的舵面效能变化问题,提出一种包含基本控制器和补偿控制器的鲁棒自适应控制律设计方法。以鲁棒伺服LQR作为基本控制器,L自适应作为补偿控制器,在保证无人机控制系统稳定性和动态特性的同时,拥有较强的鲁棒性。仿真结果表明了该方法的有效性和优越性。     

非定常气动力建模研究与虚拟飞行试验验证

非定常气动力建模涉及空气动力学、飞行力学、飞行控制等多个领域,是完善飞机大迎角气动数据库的关键。传统的气动数据库模型为动导数模型,由静态气动力、旋转天平、动导数等数据构成,无法精细表征过失速机动状态下的非定常效应。循环神经网络（RNN）结构是一种处理和预测序列数据的神经网络结构,在人工智能领域运用广泛,与非定常气动力一样都具有时间序列依赖的特点。重点研究了循环神经网络在非定常气动力建模中的应用,利用单自由度俯仰振荡的风洞试验数据进行建模。使用强迫运动试验与虚拟飞行试验2种方法对非定常模型进行验证:在强迫运动试验中,通过直接对比气动力曲线,对具有实战意义的眼镜蛇机动进行了验证;在虚拟飞行试验中,通过对比试验与建模仿真的运动参数曲线,验证了气动力模型的准确性。2种验证方法均表明循环神经网络模型比传统动导数模型更接近试验结果。