吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析

为实现吸气式高超声速飞行器多参数情况下的灵敏度分析及参数分类,降低设计的复杂度,在吸气式高超声速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,再通过计算流体力学(CFD)进行高精度气动力性能计算,最后运用方差分析法进行气动性能的参数灵敏度分析,在运用较少的试验样本点的情况下,即可完成多参数、复杂构型条件下气动性能的参数灵敏度分析。结果表明,该方法可以正确地分析出参数对飞行器气动性能的敏感程度,得到参数对气动性能的影响规律。同时,通过灵敏度分析的计算样本,还可以初步选出气动性能较优的飞行器构型,为地面试验和优化设计提供参考。     

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

几何不确定性区间分析及鲁棒气动优化设计

不确定性因素会导致飞行器偏离预先设计的气动性能,造成气动性能下降甚至产生严重的后果。针对工程中无法给出准确的几何不确定性概率分布以及跨声速条件下非线性气动问题,对几何不确定性的非概率参数化建模进行了研究,并结合Kriging模型及最优化方法建立了快速非线性区间分析方法。采用该方法对对称翼型进行不确定性分析,获得了气动性能参数的定量变化区间。在区间不确定性分析基础上建立了鲁棒优化设计流程。基于区间序关系及区间可能度转换模型将单目标区间不确定性优化问题转化为多目标确定性优化问题,并采用基于Pareto熵的自适应多目标粒子群算法对优化问题进行寻优。考虑几何不确定性以及升力、力矩、面积约束,以阻力性能为目标对超临界翼型进行了鲁棒优化设计。与确定性优化设计结果对比表明,确定性优化设计在不确定性因素的影响下易失效,而鲁棒设计可得到更安全可靠的结果。      

火箭整流罩锥壳夹层结构不确定性轻量化设计

为分析运载火箭整流罩锥壳夹层结构不确定性对结构热稳定性的影响并指导结构的轻量化设计,建立整流罩前锥段夹层圆锥壳模型,并建立温度场模型,据此对圆锥壳开展热稳定性分析,推导力热联合载荷作用下整流罩前锥段夹层结构失稳临界轴压。在此基础上,针对主要不确定性因素,开展灵敏度分析并建立区间不确定性优化模型,采用区间可能度方法将其转化为确定性问题,并采用遗传算法-区间分析算法（GA-CIAM）实现结构优化设计。计算结果表明:考虑气动力/热载荷及材料参数不确定性影响,对整流罩前锥段结构开展优化设计,在满足设计要求的前提下,有效实现结构轻量化。      

大型捆绑运载火箭反步自适应增广控制研究

针对大型捆绑火箭空间模态参数不确定性较大的特点,建立了大型捆绑运载火箭姿态动力学模型,提出了基于反步的自适应增广控制方法,设计了反步控制律,分析了自适应增广控制的机理,并针对弹性参数不确定性进行了仿真。理论分析和仿真结果表明,所提出的基于反步的自适应增广控制对于空间模态参数的不确定性具有很强的适应性。     

风偏差对火箭最大气动载荷精度的影响

高空风的预报精度对运载火箭的飞行安全有重要影响,主要表现在对运载火箭飞行中的最大气动载荷的精度影响。以某地区实况风为基准,分析了高空风预报值产生的风偏差对火箭最大气动载荷参数精度的影响。结果表明:最大气动载荷预报值的精度随高空风预报时效延长而降低,其相对误差从第1天的5.68%增长到第11天的26.49%;且最大气动载荷预报值精度与季节有关,该预报精度在秋季最高,春季最低。研究结果在火箭发射的飞行保障及安全决策方面具有参考价值。      

一种连杆装置载荷测试系统研究与设计

介绍了一种连杆装置载荷测试系统。某大型火箭芯级与助推器的连接采用了三支点超静定捆绑方式,为了充分了解这一新型捆绑连接结构在火箭大型地面试验和发射前加注过程中的载荷变化情况,开发设计了捆绑连杆载荷监测系统。系统采用了多路模拟开关及扫描技术实现了多通道数据实时采集,同时编制数据采集和数据处理软件对采集到的电压信号进行分析处理。通过对该系统的标定,实现载荷的测量。文章介绍了系统的硬件、软件设计原理和系统的两种工作状态。通过对箭上使用的连杆进行标定,得到连杆受力和系统输出的关系,通过标准载荷试验验证,线性误差在系统允许范围内。该系统载荷测量准确,可以用于火箭各种大型地面试验中捆绑连杆的载荷测量。     

新一代运载火箭姿态控制技术

开展了新一代运载火箭姿态控制设计技术研究,推导了工程适用的姿态动力学模型,基于牛顿-欧拉法建立了刚体质心和绕质心运动方程、液体晃动方程,基于有限元方法建立了火箭弹性振动方程,弹性运动方程基于空间模态,反映了横向、纵向、扭转与助推器局部模态对火箭的姿态与载荷的影响.基于空间模态的姿态动力学模型研究了姿控系统设计方法,给出了工程适用的姿控系统设计方法.开展了容错重构技术研究,分析了伺服机构故障对姿控系统的影响,为提高运载火箭的飞行可靠性和抗故障能力奠定了基础.对主动减载技术进行了研究,能够对高空风产生的气动载荷进行主动抑制,放宽了发射条件,对新一代捆绑运载火箭姿控系统的设计具有重要的借鉴意义.     

栅格翼空气动力特性的计算与分析

将涡格法推广应用于计算外形复杂的蜂窝式栅格翼的气动特性，给出了亚、跨、超音速流中，栅格翼升力，力矩和阻力特性以及载荷分布，并分析了空气动力特点及几何参数的影响。计算结果表明，栅格翼作为一种新型的承力稳定面和控制面，在某些方面优于传统单翼，修正提出了空气动力等效条件，并通过计算进行了验证。     

基于模型迁移方法的高超声速飞行器建模

高超声速飞行器的研发是一个小批量多批次的过程。为了降低实验成本缩短建模周期,引入了模型迁移方法计算具有相似外形的高超声速飞行器的气动参数。首先研究了一种评价飞行器气动外形间仿射相似度的方法,当相似度满足要求时,可使用模型迁移方法计算新飞行器的气动参数。接着基于高超声速相似律,使用基飞行器的气动参数对新飞行器气动参数初次迁移。当初次迁移结果不能满足建模精度要求时,应用偏差校正的方法对迁移过程修正。最后为了消除飞行高度对高超声速流黏性的影响,引入高超声速边界层理论迁移飞行器不同高度上的气动参数。通过对仿真结果的分析,验证了模型迁移方法对具有相似外形的高超声速飞行器建模的有效性。      

面向总体性能的高速飞行器布局优化

飞行器气动布局的选型和优化技术在总体设计中处于关键地位,在临近空间飞行的飞行器对升阻比和操控性能都提出了更高的要求。翼身组合的升力体外形由于兼顾内部装填以及升阻特性成为了目前高速飞行器主要的设计方向。以一类具有普适性的面对称升力体外形为基础,采用相关性分析手段提取出飞行器的关键几何参数,挖掘出几何参数对所关心的总体性能指标的影响度大小,并建立起基于CFD方法的气动布局优化平台,以总体性能指标为约束,优化出高升阻比外形,通过风洞试验验证了优化设计方法的有效性,为高速飞行器的气动布局工程化设计提供了有效的技术手段。      

基于自抗扰的运载火箭主动减载控制技术

针对运载火箭穿越大风区的减载控制技术进行研究,首先对攻角反馈和加表反馈2种减载技术进行理论研究和仿真分析,得出2种方案对火箭减载都存在一定的局限性。因此引入自抗扰控制器(ADRC)技术并针对飞行减载控制对其进行改进,一方面通过状态观测器将误差补偿引入自抗扰回路;另一方面改进了自抗扰控制器中的控制律,并推导证明了新的控制律下自抗扰控制器抑制风载干扰的能力,给出了控制方程中增益的选择方法。最后以某型液体运载火箭为例在考虑其弹性振动和液体晃动条件下对比了几种方案的减载效果,仿真结果表明改进后的自抗扰控制器使飞控系统抗干扰能力增强,增大了控制律中增益选择范围,有效提高了运载火箭的减载效果,具有很强的工程应用价值。      

多级固体运载火箭分级多学科设计优化

为了解决固体运载火箭总体优化过程中学科耦合性强、计算复杂、设计效率低等问题,建立了多级固体运载火箭的几何外形、质量、气动、推进、弹道/制导等学科模型,将多级运载火箭分成若干个子级火箭,并通过级间飞行状态连续性条件连接到一起,形成系统级和子系统级的框架。设计了并行方式和串行方式2种子系统的优化流程,以起飞总重最小为目标进行了多学科设计优化(MDO)。结果显示,这2种分级优化的方法与多学科可行(MDF)方法相比能减小优化过程中的迭代次数,得到更好的优化结果,从而验证了分级优化方法在多级固体运载火箭MDO的可行性与优越性。      

航天运载器磁悬浮助推发射关键技术

以航天运输为背景,研究了磁悬浮助推发射的磁悬浮、直线电机、空气动力影响和运载器分离发射等关键技术问题.通过磁悬浮系统比较,确定高温超导体EDS(Electrodynamic Suspension)系统是适合的磁悬浮技术方案,在单元静、动态实验测试基础上,研究其基本静态悬浮导向性能和刚度、阻尼特性,并建立缩比研究试验平台以评估磁悬浮系统的综合性能.通过分析2种直线电机类型及优缺点,确定双边感应直线电机是适合磁悬浮发射系统的一种直线电机加速方式,并确定脉冲磁流体发电的能量供给方案.通过磁悬浮发射空气动力影响分析,优化设计磁悬浮发射装置气动外形和气动布局,得出其基本气动特性,并提出利于实现系统俯仰力矩平衡的气动翼控制方案.研究了运载器同时滑离导轨式定向器分离发射方案,并通过动静法计算分析得出运载器从定向器滑轨上成功分离所需具备的基本动力学参数.      

Hypersonic vehicle aerodynamic design using modified sequential approximate optimization

Hypersonic vehicles are receiving increased attention within the aerospace community due to their high cruise speed and long-range capabilities. In this paper, a modified Sequential Approximate Optimization method is proposed for an optimized aerodynamic design of a hypersonic vehicle. As part of this approach, a constrained experimental design method is developed to handle the constraints more efficiently. A radial basis function is used to surrogate time-consuming CFD analysis. An efficient and more robust numerical mesh morphing scheme for the hypersonic vehicle is developed for the generation of high-quality meshes. Within this paper, a novel adaptive infilling strategy is proposed which uses an inaccurate search technique coupled with an elite archive. This allows the location of a more promising sample region and hence improves the surrogate accuracy, thereby further enhancing the optimization efficiency. A hypersonic vehicle aerodynamic design problem is solved using the proposed approach and satisfactory results are obtained at much lower computational costs. The lift-to-drag ratio is increased by 23.8% when compared with the base configuration while also satisfying the volume and lift constraints. The pressure and Mach contours have been compared with those of the base configuration and the results demonstrate the strength of the optimized configuration. The modified sequential approximate optimization for designing an improved hypersonic vehicle is worth referencing in future work.     

飞行载荷外部气动力的二次规划等效映射方法

传统的气动力映射方法中，守恒型方法能保证总积分载荷的守恒，但计算复杂；非守恒型方法实现简单，能保证气动压力的分布，但不能保证总积分载荷的守恒。利用等式约束保证积分载荷相等，并基于非守恒型加入线性基的径向基函数（RPIM）构造最小二乘保持原气动压力的分布特征，将气动力等效传递问题转化为一个带等式约束的二次规划问题。通过在非守恒方法的基础上构造出新的守恒型方法，兼顾了2种方法的优点。对某一大展弦比机翼上表面的三维气动力等效映射至二维平板面元气动力的结果表明，所提方法在牺牲了一定气动压力分布精度的基础上，严格保证了总积分载荷的相等，同时也继承了非守恒插值方法的高效性。所提方法可用于各类复杂外部气动力数据的快速等效映射，以及其他学科类似的数据映射问题。