某型系留气球空中逃逸仿真分析

系留气球现已应用到许多领域,针对可能出现的主要问题,有些无法用实验手段进行验证,因而采取计算机仿真加以研究。介绍了系留气球的工作状况,描述了空中逃逸的飞行过程,通过建立动力学模型的数学方程式,仿真了升空高度和升降速度与时间的关系。对同型系留气球的设计方法提供参考,为浮空器使用安全提供帮助。     

基于模型耦合的高空系留气球升降过程研究

为了研究高空系留气球升降特点,将气球飞行动力学模型与热力学模型相结合,通过数值仿真重点模拟并分析高空系留气球的上升与下降过程。结果表明:随着气球的升降,气球内部的气体温度变化明显,在上升过程中出现超冷现象,而在下降过程中出现超热,同时,气球内气体温度的变化又影响了气球的体积,进而通过浮力、阻力等环节对气球的升降过程起到一定的"负反馈"作用;在此基础上,气球的升降过程还需要着重考虑系留缆绳的控制作用,上升过程中缆绳的释放速度需要快,不得阻碍气球上升,而在下降过程中缆绳的收卷速度需要慢,不得超过自身的强度极限,研究得出在文中工况下高空系留气球缆绳的放线速度不小于14 m/s,回收最大拉力在90 kN量级以内。研究结果对高空系留气球系统设计具有重要的指导意义。     

超压气球飞行过程热特性数值研究

在分析超压气球几何外形、内外热环境和受力等情况的基础上,建立了超压气球几何、热力学和运动学模型。基于该模型,对超压气球上升-驻空过程进行了仿真模拟,得到超压气球飞行高度、内部氦气温度、氦气内外超压、气球体积以及气球飞行速度随时间的变化规律。结果表明:气球在上升过程中,氦气存在严重的"超冷"现象,而在驻空过程中,出现严重的"超热"现象。升速度曲线呈"W"型变化;中午过后,随着太阳辐射的减弱,氦气温度开始下降,但驻空高度维持不变。研究结果为超压气球的设计和研究提供了重要的依据,更好地保证气球在飞行期间的运行安全。     

临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径，有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行，是发展临近空间太阳能飞机的核心问题，也是形成“区域保持+时间持久”特色能力的关键。能量最优航迹规划方法是解决临近空间太阳能飞机跨昼夜能量闭环难题的有效技术方向。当前临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法可分为2类：不考虑风场变化的能量最优航迹规划方法和不考虑大范围高度变化的能量最优航迹规划方法。分别对这2类问题的研究成果进行了分析与讨论，考虑不同处理框架给实际工程应用带来的困难与挑战，认为未来应统一考虑太阳辐射、空间高度和风场变化，并融合重力势能与梯度风场对太阳能飞机临近空间持久驻留能量变化的影响，开展基于强化学习框架的太阳能飞机能量最优“通用”飞行航迹规划方法研究。为此，有必要开展临近空间风场环境表征与重构、临近空间梯度风场对太阳能飞机滑翔轨迹能量影响分析、最优飞行航迹示教轨迹生成与分类、基于示教轨迹的太阳能飞机强化学习框架构建等关键技术研究。可为设计太阳能飞机能量最优航迹规划方法提供参考，为规划太阳能飞机研究技术路线提供支撑。     

临近空间低动态飞行器控制研究综述

针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题,分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先,基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点,归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上,结合这类飞行器的当前发展状况,从飞行器控制角度出发,着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制,以及应用的多种控制策略的研究进展。最后,在已有的控制问题研究发展的基础上,提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。     

基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点,通过引入控制设计,克服轨迹控制和高度控制等方面的局限,具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力,是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析,梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术,重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状,对现有方案进行深入分析,从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

系留气球装备环境工程浅析

主要探讨系留气球等浮空器的环境适应性设计、试验和评价；结合环境适应性工程思想，结合实际工作经验，阐述了浮空器装备全寿命期环境分析、适应性设计以及环境试验与评价等方面的工作要求。相比于飞机等短时飞行的航空器而言，对于留空时间长达数天乃至数十天的系留气球，在设计和验证过程中更应该关注其环境适应性要求。     

平流层浮空器保压指标对驻空性能的影响

地面保压试验是综合评估囊体材料性能的重要手段,其设计指标将影响平流层浮空器总体驻空高度与时间的变化范围。以球形超压平流层浮空器为例,建立了驻空高度运动学模型、热力学模型及基于微孔损伤的氦气渗透模型,综合考虑驻空过程中力、热耦合引起的浮空器内部氦气压力、温度和质量等的实时变化,以囊体材料微孔当量直径为桥梁建立了平流层浮空器地面保压指标与驻空高度、驻空时间的耦合关系,通过定量分析不同保压指标下浮空器驻空性能的变化情况,提取影响规律,为保压指标的合理设计提供总体参考。     

一种浮空器压力调节综合控制系统设计

针对现有浮空器压力控制系统设计的不足,结合浮空器的使用环境,提出了一种基于双机冗余热备份、嵌入式CPU、高精度实时数据采集与处理的压力调节控制装置解决方案。首先建立了浮空器的压差数学模型;接着,以该模型为基础,进行压力调节控制系统设计,包括多余度压力控制系统设计、仲裁融合应急处理设计、压力自控设计。最后,采用该种设计的系留气球的空中试验结果表明,该压力系统控制能够根据气球所处不同的工作状态,融合传感网络状态信息,自主选择自控程序入口,较好的对气球气囊压力进行了有效调节与控制,保证了气球的安全。     

临近空间串联气球系统设计与特性分析

目前,零压气球和超压气球固有的不足限制了高空气球的飞行能力。提出了 1种无需消耗压舱物和浮升气体即可实现昼夜高度自稳定且能够长时间迂回飞行的临近空间串联气球系统。结合了 2种气球的优点,避开了现阶段高空气球发展遇到的困难。建立了昼夜飞行高度一定的串联气球系统的数学模型,设计了能够利用准零风层风场条件实现迂回飞行的串联气球系统,通过与单一零压气球系统对比,验证了该系统的优势。数值仿真分析了零压气球形状、系统设计高度对超压气球尺寸、最大超压量等关键参数的影响,为设计飞行性能更好的系统提供了重要参考依据。     

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于 CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以 1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。     

脉冲爆震发动机的飞行性能计算与分析

为了获得脉冲爆震发动机的飞行性能参数随飞行高度和飞行速度的变化规律,在应用最小G ibbs自由能理论建立求解爆震燃烧的平衡成分及其浓度、平衡参数的基本关系式,据此对爆震波特性参数进行数值模拟的基础上,通过引入进气道和尾喷管建立了一定飞行状态下的多管自吸气式脉冲爆震发动机理论性能计算模型,对脉冲爆震发动机的性能随飞行高度、速度的变化趋势进行研究。结果表明,在不同飞行高度和飞行马赫数的状态下,脉冲爆震发动机性能有一定的变化规律,同时模型也考虑了加入尾喷管对性能的影响,为脉冲爆震发动机的性能分析与理论设计提供了依据。     

激光推进运载器大气飞行稳定性影响因素研究

针对环聚焦的Myrabo构型激光推进飞行器在大气中飞行现象,建立了激光推力器冲量模型,给出了光船飞行六自由度动力学模型。设计算法解决了脉冲力作用下,光船动力学方程的解算精度与效率折中问题;仿真分析了激光脉冲频率、脉冲能量和升力线斜率大小对光船运动稳定性影响。结果表明:在垂直方向,光船上升速度呈锯齿状,且存在脉冲频率下限;在侧向,激光脉冲频率越高,回复速度越快,回复曲线也越光滑,升力线斜率的增加能够使光船以更短的时间趋于稳定。     

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。     

Trajectory prediction in pipeline form for intercepting hypersonic gliding vehicles based on LSTM

The interception problem of Hypersonic Gliding Vehicles (HGVs) has been an important aspect of missile defense systems. In order to provide interceptors with accurate information of target trajectory, a model based on an improved Long Short-Time Memory (LSTM) network for trajectory prediction pipeline is proposed for the interception of a skip gliding hypersonic target. Firstly, for trajectory prediction required by intercepting guidance laws, the altitude, velocity and velocity direction of the target are formulated in the form of analytic functions, consisting of linear decay terms and amplitude decay sinusoidal terms. Then, the dynamic characteristics of the model parameters are analyzed, and the target trajectory prediction pipeline is proposed with the prediction error considered. Finally, an improved LSTM network is designed to estimate parameters in a dynamically-updated manner, and estimation results are used for the calculation of the final trajectory prediction pipeline. The proposed prediction algorithm provides information on the velocity vector for midcourse guidance with the effect of prediction errors on interception taken into account. Simulation is conducted and the results show the high accuracy of the algorithm in HGVs’ trajectory prediction which is conducive to increasing the interception success rate.     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

航天飞机再入航迹初步设计的一种计算方法

本文给出一种由航天飞机质心位置和飞行速度随高度的变化值计算再入航迹其它运动参数的方法。用美国“哥伦比亚”号航天飞机轨道器的飞行数据验算表明,该方法不失为一种可供再入航迹初步设计中选用的简便算法。     

基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

为适应航空发动机涡轮冷却技术的发展趋势，在传统叶片温度评估模型的基础上加以改进，提出了适用于内外耦合涡轮叶片的温度评估模型。将改进后的温度评估模型嵌入到发动机整机热力性能计算模型中，对飞机/发动机系统耦合分析，研究了F-16战机在典型飞行任务和飞行包线内高压涡轮导叶的冷却性能。结果表明：在全飞行任务下进行分析时，叶片在实用升限、起飞及大爬升率工况下叶片工作热环境恶劣，叶片易超温；叶片表面温度沿径向为增长趋势，在叶顶处达到最大值。在全飞行包线内进行分析时，叶片表面温度随高度变化明显；包线内高空低马赫数区域叶片的最高温度和承受的热应力最大，叶片最高温度可达1 342 K；高空低马赫数区域的综合冷却效率与包线内的最高冷却效率相比，降低了34.2%，叶片冷却性能下降明显。在进行模型参数敏感性分析时，与基准方案相比，当输入参数改变相同比例，改变冷气进口温度对叶片温度的影响最为显著。