升力式再入飞行器离轨制动研究

针对一种升力式再入飞行器———通用航空飞行器进行全球攻击时离轨推力的控制和相应的下降轨道特点,对其再入角的选择等关键技术进行了深入分析,最终得到了依据远地点半径和可施加的Δv的范围来确定最优离轨推力角和下降椭圆轨道的有工程意义的结论。在此基础上进一步分析了切线制动和非切线制动的再入轨道特点,同时依据已知条件得到了再入角的最佳控制范围。所得结论亦可用于一般升力式再入飞行器初步轨迹的设计。     

Weissman准则在升力式再入飞行器设计中的应用

针对升力式再入飞行器的气动特性和控制方式,分析了将传统Weissman判据推广应用到升力式再入飞行器设计中面临的一些主要问题。由赫尔维茨稳定性定理推导了采用反馈控制的滚转反逆准则的计算形式,并以HL-20飞行器为对象,采用非线性仿真和Kriging建模方法,实现了对Weissman图不同稳定性敏感区域的划分。仿真分析表明,升力式再入飞行器对应的Weissman图与传统航空飞行器存在明显不同,可以将其推广应用到升力式再入飞行器设计中。     

再入滑翔式飞行器轨迹快速优化

为了满足再入滑翔飞行器轨迹实时生成的要求,提出了一种轨迹快速优化方法.在模型处理方面,根据再入飞行器运动的特点,对再入轨迹方程进行了合理的简化处理和无量纲化处理,使其更适合数值优化算法求解;在算法方面,采用乘子法对再入终端约束进行处理,然后采用共轭梯度法求解最优的再入轨迹.仿真结果表明,这样处理只需10s左右的时间便能产生一条满足约束条件的再入优化轨迹,验证了模型     

基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化

 轨迹优化是新型高超声速滑翔式再入飞行器方案设计的关键技术之一。物理规划方法能够以较低的计算代价获得设计者偏好的多目标优化问题的折中解。基于该方法研究滑翔式再入最优飞行轨迹。首先介绍物理规划方法求解多目标优化问题的数学模型,然后将考虑射程最大、热载最小、热流密度峰值最小和弹道最稳定4个目标的再入最优轨迹问题纳入物理规划的框架求解。以某带翼锥形再入飞行器为例,通过计算并分析单目标优化结果,确定具体的偏好结构,采用遗传算法求解了考虑热流、过载、动压和终端条件约束的多目标最优轨迹。优化计算结果验证了物理规划方法的有效性。分析了沿最优轨迹飞行的物理原因和基本迎角控制规律,可为滑翔式再入飞行器的最优轨迹方案设计提供依据。     

基于代理模型的高超声速飞行器外形参数优化

针对高超声速飞行器分析复杂且难度较大,提出了一种代理模型的构建方法,使用代理模型近似替代性能分析与优化过程中含有复杂学科耦合的机理模型。根据巡航任务需求,确定了优化目标为静动态性能最优与模型差异最小。使用灵敏度分析的方法,建立了代理模型。将代理模型进行静动态性能分析,并与机理模型配平结果进行了对比验证,发现两个模型的配平特性趋势是完全一致的,迎角的数值差不足3%,升降舵偏转角的数值差仅在前体下倾角较大时偏大,约为20%。基于构建的代理模型与优化的性能指标,对模型的外形参数进行了配平性能优化与间隙度量优化,并与机理模型的优化结果与优化效率进行对比,发现两者结果相差不足2%,但使用代理模型的优化效率提高了456%,证明了基于代理模型的优化可以在确保精度的基础上提高优化效率。      

一种极坐标系升力式再入六自由度仿真模型

建立了升力式再入飞行器在极坐标系下的六自由度模型。首先,定义了建模所需坐标系及转换关系;然后,建立了极坐标系下的升力式再入质心运动方程以及面对称飞行器在体坐标系下的转动方程,并利用坐标转换关系建立欧拉角转换辅助方程;最后,对欧拉角关系、开环六自由度进行了仿真验证。仿真结果表明,该模型可为同时关注位置变量和速度变量的升力式再入飞行器的飞行力学问题研究,如六自由度的轨迹优化、制导控制一体化设计等提供模型参考。     

基于GPM的高超声速飞行器再入轨迹优化

为保证高超声速飞行器具有最大再入距离,应用高斯伪谱方法求取了存在路径约束及终端约束的飞行器最优再入轨迹。首先选取迎角及倾斜角作为最优控制量,并分析再入轨迹的最优控制模型;然后应用高斯伪谱方法将最优控制问题离散成非线性规划问题,并采用SNOPT软件包对非线性问题进行求解,得到最优轨迹。通过仿真证明了该方法求得的最优轨迹对初始值不敏感,且具有良好的实时性。     

基于Kriging代理模型的高升力构型优化设计

本文发展了一种基于Kriging模型的高升力构型优化设计方法。采用分区对接网格技术求解N-S方程以及遗传算法，在着陆构型下使多段翼型升力系数最大。为了降低计算量和计算时间，在优化过程中采用Kriging模型代替复杂的流场计算。为了提高模型的精度，采用EI方法增加新的样本点。利用该方法完成了多段翼型缝道参数和外形优化设计。结果表明，在只优化襟翼缝道和襟翼缝道与外形同时优化两种情况下，该方法使得多段翼型最大升力系数分别提高7.55%和9.48%。     

基于多模型预测的再入飞行器制导方法

在具有控制和轨迹约束的再入制导中,提出了一种新的基于多模型预测再入飞行器纵向制导方法。首先对再入飞行器的纵向运动方程沿着标准轨道线性化,基于分段仿射约束系统建模理论逼近原非线性系统,并采用线性矩阵不等式(LMIs)优化技术离线将保证闭环系统稳定的终端二次代价项求出;然后,在每个制导周期内,基于多模型预测在线求解构造好的有限时域优化目标,从而获得控制量的增量,并把第一个控制增量分量与标准轨道的控制量叠加后形成全量控制,用于实际再入轨道的制导,而在下一个制导周期基于新的状态参数重复上面的优化过程。数字仿真结果证实了所提方法的有效性。     

移动质心再入飞行器建模及自抗扰滚动控制

基于移动质心滚动控制方案,研究了其动力学系统建模和非线性耦合系统控制的问题。不同于移动质心控制系统建模中常用的牛顿力学建模和常规拉格朗日建模法,采用准坐标形式的拉格朗日法建立了完整的系统动力学方程,避免了牛顿力学中复杂的相互作用力分析和常规拉格朗日建模法物理意义不明确的缺点。鉴于移动质心滚动控制系统的非线性、耦合性和时变性,提出把系统的非线性耦合项和外部干扰统归为未知扰动,并采用自抗扰控制(ADRC)技术进行估计和补偿,相对于常用的比例微分(PD)控制,自抗扰控制器能更好地适应系统参数的变化,具有很强的鲁棒性。最后,通过数学仿真验证了整个控制方案的可行性。     

基于ESO的再入飞行器姿态控制

针对飞行器再入姿态控制系统受到较大干扰力矩时,采用目前工程上常用的 “前馈＋PID”控制方法难以获得理想控制精度的问题,提出了采用自抗扰控制技术进行再入姿态控制的方法。首先利用扩张状态观测器对前馈项没有完全补偿的剩余飞行器角加速度进行估计并加以补偿,使得作用在飞行器上的力矩接近于平衡状态,并采用PD控制器进行误差反馈控制,给出了飞行器再入姿态自抗扰控制律,并在频率域分析的基础上给出了控制参数设计原则。仿真结果表明采用本方法能够有效地克服干扰力矩,从而明显地提高再入飞行器姿态动态跟踪精度。     

基于多目标遗传算法的再入飞行器气动布局优化

本文采用多目标遗传算法来确定再入飞行器气动布局优化问题的Pareto最优解集，并和传统的多目标优化方法（加权和方法、约束法）进行比较。通过计算表明，多目标遗传算法能够在一次运行中搜索到优化问题的近似Pareto最优解集，这为飞行器设计得进行目标折衷决策提供了充分的依据。     

再入飞行器和模型转换雷诺数计算

本文采用近似的激波关系、球锥体压力分布、平衡气体状态方程、边界层厚度计算公式及转捩准则等,按照流管法计算了4种再入飞行器的外流转捩雷诺数和转捩距离,并给出了高硅氧、碳石英、碳碳球锥模型的转捩雷诺数范围,对再入飞行器和模型的计算结果作了分析和比较。     

基于神经网络的飞行器再入制导研究

论述了神经网络理论在飞行器再入制导方面的应用.在分析各方法优缺点的基础上,提出了一种基于广义同归神经网络(GRNN)模型的再入制导方法.神经网络通过一组选定的轨迹样本进行有导师训练,训练好之后作为控制指令生成器,输入为再入过程中飞行器的状态参数,输出为倾侧角控制量,迎角控制量则由迎角剖面给定.仿真结果验证了该方法在再入...     

三维高超声速飞行器再入轨迹快速优化

高超声速再入轨迹优化问题是一类复杂的最优控制问题。采用高斯伪谱法(GPM)将再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题(NLP),对NLP进行归一化处理后,采用SNOPT软件包求解。根据协态变量映射规则计算出协态变量,得出哈密尔顿函数沿最优控制的变化过程。算例中,GPM耗时约7 s即可生成一条严格满足各种约束的三维最优再入轨迹,耗时远少于相关文献,并且优化精度高,满足一阶最优性必要条件。     

高超声速飞行器再入轨迹多目标优化

针对飞行器再入轨迹多目标优化问题,提出了一种基于粒子群算法与层次分析法的综合求解策略。首先,根据飞行器的动力学模型以及再入约束条件,建立了飞行器多目标优化模型;然后,考虑到粒子群算法只能求解无约束单目标问题,采用罚函数处理飞行过程中的约束条件和优化目标;最后,针对不同约束及目标的权重对再入轨迹的影响,利用层次分析法建立包含主观评估信息的优化模型,采用粒子群算法优化求解满足相应约束条件的再入轨迹问题。仿真结果表明,该方法所生成的优化轨迹具有较高的精度和计算效率,并对设计者的主观需求有良好的体现。     

有动力空间再入打击飞行器航迹优化

提出了有动力再入打击飞行器的航迹优化方法。基于标准的大气模型、数值的气动模型,考虑地球自转效应,建立了有动力再入打击飞行器的航迹优化模型。将再入航迹分为助推加速段和无动力滑翔段分别优化,从而得到优化航迹。算例表明,该方法得到的航程比最大升阻比航迹增加7.3%。因此,该方法用于有动力再入航迹的优化是有效的、可行的。     

再入飞行器多层隔热结构优化分析

  针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂传热问题,采用有限元方法对可重复使用飞行器多层隔热结构(MLI)进行参数化求解,预测内部结构瞬态温度响应,对具4层反射屏的多层隔热结构进行优化设计,分析影响隔热性能的多个因素（如反射屏的分布,屏间纤维厚度和最上层反射屏与热边界距离）对隔热性能的影响规律,为多层隔热结构的优化设计提供相关参考。     

基于代理模型的气动外形优化

探讨了一种将CAD软件、CFD商用软件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。重点介绍建立气动分析代理模型的过程,这一过程包括确定设计变量及其取值范围、生成试验设计点、建立参数化几何模型、CFD数值计算、提取气动特性和构造代理模型。通过一个简单的机翼气动外形优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。