冲压发动机导弹爬升段和巡航段轨迹优化

为了研究冲压发动机导弹爬升段和高空巡航段的燃油最优弹道,提高射程,提出了较为通用的一体化优化设计方法。研究了冲压发动机、导弹气动力与弹道之间的耦合特性,建立了导弹动力学模型,将弹道的最优控制问题转化为参数优化问题。为求解该参数优化问题,针对传统粒子群(PSO)算法求解优化问题时存在的早熟收敛的不足,提出了一种算法结构,改善粒子群算法的性能,求其最优解。数值结果表明:改进的算法相对其他几种粒子群算法具备更优秀的性能。所优化弹道相比导弹试验数据,以飞行时间增加3.3%为代价,节约了4.46%燃油。多组高弹道的仿真结果表明,巡航高度应不超过动压边界前提下,高弹道巡航有利于节约燃油,增加导弹射程。     

固体火箭冲压发动机燃气发生器动态特性影响分析

建立了燃气发生器/固体火箭冲压发动机/导弹的一体化动态数学模型,通过数值仿真研究得到了在典型飞行弹道下各主要工作参数的变化过程.结果表明,在导弹飞行的爬升和巡航段,燃气发生器实际输出燃料流量和发动机实际输出推力与指令值之间的相对偏差均较小,不超过7%;而在俯冲段,由于容腔效应影响严重,燃料流量相对偏差达到-30%,推力最大相对偏差达-50%.上述因素给导弹飞行速度带来的相对偏差小于5%,射程的相对偏差小于1%.因此,针对所述的爬升 巡航 俯冲弹道,在导弹工作过程仿真中,可忽略燃气发生器的动态特性,不会影响对导弹飞行性能的评估.      

涡轮增压固冲发动机(TSPR)爬升方案与性能研究

为了证明涡轮增压固冲发动机(TSPR)具有自主加速飞行的能力,进而得到合适的弹道飞行方案,开展了TSPR爬升飞行方案研究。首先通过借鉴已有弹体参数,分析了以高空巡航状态为设计点和以最大功率状态为设计点时,飞行器在弹道飞行范围内的非设计点性能。随后对比了发动机推力和飞行器阻力大小,得出:当TSPR以高空巡航点为设计点时,TSPR在爬升段(非设计点)所提供的推力小于飞行器阻力,难以实现自主爬升;当TSPR以最大功率状态为设计点,且采用等相对换算转速的调节规律时,TSPR具有优良的爬升加速性能,能够从(3km,Ma0.9)加速爬升至(10km,Ma2.2)状态巡航,其射程是固体火箭发动机的三倍,这证明TSPR在具有自主加速飞行能力的同时还具有良好的比冲性能。     

巡航导弹加速爬升段弹道优化设计

为了解决巡航导弹加速爬升段的弹道设计,使导弹能以一种最优方式到达巡航高度并开始巡航,提出了一种弹道优化方法。该方法采用NURBS曲线拟合控制律,并通过遗传算法优化弹道。仿真计算表明,该方法可以解决基准弹道的设定问题,为发动机及导弹的研制提供数据参考,同时也可以初步确定发动机和导弹的控制律,为进一步的设计提供依据和基础。     

基于航迹优化的变几何冲压发动机控制规律设计方法

宽速域的高超声速飞行需求对冲压发动机的变几何控制提出了更高的要求。基于高斯伪谱航迹优化方法,通过耦合变几何冲压发动机的控制变量及飞行器攻角变化率,将宽速域变几何冲压发动机的控制规律设计问题转换为特定飞行器的多变量最优航迹求解问题,建立了变几何亚燃冲压发动机的飞行器/推进系统匹配分析方法,实现了典型变几何冲压发动机的控制规律优化设计。研究结果表明：进排气无级可调冲压发动机最经济爬升轨迹相比最快爬升增加16.3%时间,节省7.8%燃油消耗,两种航迹状态下进气道均接近于临界状态,差异主要来自于油气比控制规律不同;喷管喉道面积两级可调冲压发动机通过动态调整进气道出口正激波位置及燃烧室油气比,亦可实现宽速域内的快速爬升,此时最经济航迹下燃油消耗较无极可调方案多20.8%,时间增加5.6%。     

喷水预冷却发动机与导弹一体化设计

以一种高声速导弹作为应用对象,计算了喷水预冷却发动机的安装特性,建立了导弹/喷水预冷却发动机一体化设计的约束分析和任务分析模型,给出了高超声速导弹的升阻特性的确定方法,结合任务剖面、导弹的重量组成以及发动机模型,取爬升率为100m/s,80m/s和50m/s对导弹的爬升和加速任务段进行约束分析,选择巡航马赫数为4.0,5.0和6.0三种情况进行了导弹任务分析。计算结果表明,建立的导弹/发动机一体化约束分析与任务分析模型合理,当巡航马赫数小于5.0时,虽然装备喷水预冷却发动机与亚燃冲压发动机的导弹相比爬升率和加速度较低,但是导弹射程却有较大幅度的提高,因而在高声速导弹的应用是可行的。     

整体式液体冲压发动机导弹一体化设计

整体式冲压发动机导弹一体化设计,是把导弹与整体式液体冲压发动机作为一个系统,以系统性能最佳为目标,同时优选导弹和发动机的参数,文中以中程超音速飞航导弹为算例,针对整体式冲压发动机的特点,研究了导弹/整体式冲压发动机的一体化设计问题。对总体参数和发动机设计参数在中、低空巡航两种情况下进行优选,使导弹的射程达到了最佳,并分析、探讨了为适应不同巡航高度要求,选择导弹和发动机参数的有关问题。     

冲压发动机-飞行器加速过程轨迹最优化研究

为了研究吸气式飞行器加速过程的最优轨迹,针对一个以冲压发动机为动力的超声速飞行器,由起始状态19km(约2.7马赫)至终点状态25km(约6.0马赫)的加速爬升过程,提出了一种考虑发动机推进机理的加速过程轨迹最优化方法。将理想的冲压发动机模型与竖直平面飞行器动力学模型相结合,考虑不启动保护约束,分别定义了最小油耗和最小时间两种轨迹最优化问题,并应用高斯伪谱法进行求解。结果表明,轨迹最优化问题的实质是将发动机比冲和推力性能与飞行器动力学性能进行最优化匹配。最小油耗轨迹较最小时间轨迹增加了30.3%的加速时间,节约了4.7%的燃油消耗。不同的起飞重量对最小油耗轨迹有一定的影响,较大的起飞重量需要飞行器在爬升前获得更大的动压。     

地空导弹对冲压发动机的要求

本文从地(舰)空导弹的弹道要求出发,分析了地空弹道对冲压发动机的特殊要求.提出了冲压发动机大攻角飞行的必要性.并讨论了燃油调节规律及方案选取,及选用具有总压孔的喷油杆雾化装置的优缺点.提出了一些有益的结论.     

基于改进粒子群算法的高超声速飞机爬升轨迹优化

装备涡轮基组合动力发动机的高超声速飞机,其推力特性不同于传统的涡扇发动机,因此传统飞机的爬升策略不再适合这类高超声速飞行器。在分析了飞机爬升段数学模型的基础上,基于改进粒子群优化算法针对某高超声速飞机模型飞行剖面爬升段,以最小燃油消耗为目标进行轨迹优化设计。通过仿真计算,优化后的爬升段飞行轨迹能有效减少燃油消耗,证明了优化方法的可行性。     

基于未知输入观测器的涡扇发动机直接推力控制

针对某型涡扇发动机,进行直接推力控制回路设计方法研究.基于未知输入观测器(UIO)原理建立了涡扇发动机机载模型和推力估计器,UIO通过解耦外界干扰实现了全飞行包线推力的准确估计;提出了直接推力闭环反馈控制的双回路结构设计方案,内环转速控制,外环推力控制,有利于实现各回路控制参数的独立设计.仿真验证结果表明:基于UIO的模型基涡扇发动机直接推力控制具有良好的控制稳定性和抗干扰性能,对于发动机不同工作点直接推力控制,推力控制误差不超过0.1%,转速控制偏差不超过0.2%.      

飞/推综合控制模式亚声速半物理仿真试验

飞/推综合控制考虑飞机和发动机之间的性能耦合，彼此进行信息的综合，从整体最优的设计出发，充分发挥飞机和发动机的性能潜力，提高飞机性能。为了验证飞/推综合控制模式的性能效益，提出并开展了该控制模式在亚音速下的半物理仿真试验的研究，结果表明：在平飞加速工况下，采用最大推力模式，可提高发动机推力约9％；在亚音速巡航时，采用最小油耗模式，可节省单位油耗约1．5％。     

用最大值原理求某无人机的最优上升轨迹

为改进某无人机飞行性能，应用最大值原理求解无人机在垂直平面内的最优上升轨迹，推导了无人机最经济爬升所满足的极值方程；并用此方程和最快爬升极值方程这两类目标函数求解了某无人机的最优上升轨迹，计算结果表明，经优化后的爬升轨迹可以节省燃油，延长无人机的续航时间或快速爬升到预定的终点高度具有较好的性能收益。     

New reference trajectory optimization algorithm for a flight management system inspired in beam search

With the objective of reducing the flight cost and the amount of polluting emissions released in the atmosphere, a new optimization algorithm considering the climb, cruise and descent phases is presented for the reference vertical flight trajectory. The selection of the reference vertical navigation speeds and altitudes was solved as a discrete combinatory problem by means of a graphtree passing through nodes using the beam search optimization technique. To achieve a compromise between the execution time and the algorithm's ability to find the global optimal solution, a heuristic methodology introducing a parameter called ‘‘optimism coefficient was used in order to estimate the trajectory's flight cost at every node. The optimal trajectory cost obtained with the developed algorithm was compared with the cost of the optimal trajectory provided by a commercial flight management system(FMS). The global optimal solution was validated against an exhaustive search algorithm(ESA), other than the proposed algorithm. The developed algorithm takes into account weather effects, step climbs during cruise and air traffic management constraints such as constant altitude segments, constant cruise Mach, and a pre-defined reference lateral navigation route. The aircraft fuel burn was computed using a numerical performance model which was created and validated using flight test experimental data.     

无人机爬升航迹优化设计研究

为改进无人机的飞行性能，应用可变误差多面体法求解了在垂直平面内的最经济和最快爬升轨迹。计算结果表明，经优化后的爬升航迹可以节省燃油，延长无人机的续航时间和有效任务时间，具有较好的性能收益。     

某无人机爬升过程中燃油温度变化规律仿真研究

采用 RON95# 车用汽油或 100LL 航空汽油为燃料的中空长航时无人机在爬升过程中容易遭遇气阻。利用 Flowmaster 软件搭建某型无人机燃油系统的仿真模型,以实际飞行试验中的环境温度、初始燃油温度、初始燃油量、耗油率等参数作为边界条件,通过仿真得到飞行过程中油箱内燃油温度,并与实际飞行试验数据进行对比,验证仿真模型的可行性;利用该模型定量研究环境温度、燃油油量、耗油率、爬升速度等因素对燃油温度变化规律的影响。结果表明:对于某型无人机燃油系统,在连续爬升过程中燃油温度的变化受初始外界环境温度、爬升速度的影响比较大,而燃油油量、耗油率则对燃油温度变化的影响较小;初始外界环境温度越低、燃油油量越少、耗油率越快、爬升速度越大则燃油温度下降幅度越大。     

跨介质冲压发动机理论性能与工作参数分析

针对空水一体跨介质导弹应用需求，提出了一种采用同一金属基固体推进剂，能够实现在空中和水中工作的跨介质冲压发动机方案。分析了空中和水中典型工况下，金属基固体推进剂配方、空/水燃比、金属种类等对跨介质冲压发动机理论性能的影响。针对给定的跨介质导弹飞行弹道和金属基固体推进剂配方，对发动机设计参数进行了选取，并完成了空中和水中工作条件下发动机工作参数计算，从理论上验证了该跨介质冲压发动机方案的可行性。