乘波体构型气动性能与实用性研究

为了进一步研究乘波体的气动性能和实用性,探究其在飞行器设计中的应用价值,针对影响乘波体气动性能的外形几何参数、非设计状态、前缘钝化半径等参数进行了数值计算和分析,并对乘波体外形进行了优化改进。研究结果表明:乘波体的前缘曲线决定了其外形参数和气动性能,而前缘曲线受自由流面影响;非设计状态下,乘波体依然具有较理想的升阻比;前缘钝化处理使得乘波体下表面高压气流上泄到上表面,降低了乘波体的升阻比;外形优化使乘波体的实用性得到显著提高,并保持较高的升阻比;乘波体构型具有应用于高超声速飞行器前体外形设计的优势和潜力。     

基于飞行过程数据的航空发动机故障诊断方法研究

针对航空发动机飞行过程数据,结合门控循环单元（GRU）动态网络和深度神经网络（DNN）,提出了一种数据驱动的航空发动机故障诊断结构。首先,从飞行数据中抽取发动机健康数据,并通过一组GRU网络建立发动机在健康状态下的动态模型。其次,通过GRU动态模型的预测值与真实测量信号生成残差信号,残差信号作为DNN网络的输入预测发动机健康参数。最后,通过诊断决策模块实现对发动机的故障检测与识别。使用仿真生成的真实飞行工况数据集对提出的故障诊断系统进行了验证。结果表明,相比于直接使用传感器测量数据,基于GRU网络的残差结构能够大幅提升故障检测和识别性能,故障检测和识别准确率分别可达96.51%和95.06%,并且对训练数据样本数量的依赖性较小,较少的训练样本也能获得很好的预测结果。     

基于径向基神经网络的气动热预测代理模型

为快速获取高超声速飞行器表面热流数据并缩短飞行器气动热设计周期,提出了一种基于径向基神经网络的气动热快速预测代理模型方法。首先,在飞行器表面每一个离散化的网格节点单独构造一种正则化的径向基神经网络。随后,通过训练集对所有网络同时进行训练,获得各自网络的连接权值。最后,所有网格节点的神经网络协同预测飞行器表面不同位置的热流。对NASA火星实验室的椭圆钝化高超声速飞行器的应用表明,所提出的代理模型方法在模型训练完成后能够快速进行飞行器表面热流预测,并且模型具有良好的泛化能力,在驻点及迎风大面积区域热流预测结果与数值模拟的偏差在10%以内。     

新型乘波体设计及其研究现状

将乘波体设计方法与常规飞行器成熟的设计方法和智能变形等新技术进行结合,可以设计出新型的乘波体,如多级压缩乘波体、双(多)级乘波体和可变形乘波体。对近几年出现的几类新型乘波体的设计及其研究进展进行了总结。新型乘波体的总体性能得到了显著提高,多级压缩乘波体可充分发挥其预压缩性能,两(多)级乘波体在设计点和非设计状态下均具有良好的气动性能,可变形乘波体在宽马赫数条件下始终能保持优良的气动性能。新型乘波体增强了实用性,可用于宽速域高超声速飞行器的气动外形设计中。应进一步拓展这些新型乘波体设计方法的应用范围,并深入开展宽速域高超声速乘波飞行器气动外形设计和性能分析,以期为乘波飞行器的研制打下坚实的基础。     

基于神经网络的类乘波体飞行器FADS算法研究

大气数据是飞行器飞行的重要参数,大气数据系统是必备的机载航电系统。嵌入式大气数据系统（FADS）是新一代大气数据系统,可用于类乘波体飞行器。飞行器外形特殊,大飞行包线内FADS压力场模型复杂,解算算法尚不完备。针对飞行器的特点,利用三维几何建模和计算流体动力学（CFD）计算的方法,分析FADS压力场模型特性,设计并验证了基于神经网络的类乘波体飞行器FADS算法,结果表明,算法对马赫数、攻角和侧滑角大气参数的解算可行有效。     

基于自动核构造高斯过程的导弹气动性能预测

在导弹的初期设计阶段,通常需要对导弹的气动性能进行快速粗略评估。针对传统工程估算软件计算精度低和CFD方法计算代价大的缺陷,提出一种基于高斯过程回归（GPR）代理模型快速预测典型导弹气动性能的方案。以导弹外形参数和攻角作为模型输入,升力系数、阻力系数和力矩系数作为模型输出,对GPR模型的气动性能预测结果进行分析。首先,与其他常用代理模型的预测精度对比,GPR模型对3种系数的预测误差分别仅为0.24%、0.36%和0.36%,高于其他代理模型的预测精度。其次,考虑GPR模型核函数选择严重依赖人工先验知识的问题,采用了一种自动核构造算法,无需先验知识即可从数据中自动学习核函数。将该算法嵌入GPR框架中,与传统GPR模型比较,实验结果表明：基于该算法的GPR模型对3种系数的预测误差分别降低到0.10%、0.22%和0.17%。最后,给出导弹气动性能快速预测的应用实例,结果表明所提出的GPR模型的导弹气动性能预测方案是有效的,能够满足设计初期快速且精确的气动性能预测需求。     

临近空间高超声速飞行气动外形设计初探

根据临近空间大气特点、对临近空间高超声速飞行器的乘波体外形设计进行了初步探讨。论文介绍了乘波构型的概念和生成方法、基于楔形流场进行了两种∧型乘波体的外形设计,并且完成了数值模拟以及计算分析。数值模拟的结果验证了基于楔形流场∧型乘波外形设计方法和设计过程的可行性,为临界空间高超声速飞行器气动外形设计提供了参考。     

宽包线吸气式高超声速飞行器外形优化研究

针对吸气式宽包线高超声速飞行器的气动优化问题，基于任务要求建立了基于多点权重分配的气动外形优化模型，并采用“CFD+准一维流”方法开展了气动性能分析。为兼顾气动外形优化的效率与精度，通过改进现有的并行加点策略，发展了一套基于代理模型与梯度算法的分层优化框架，并采用函数算例对改进后的加点策略进行了验证。对吸气式高超声速飞行器的气动外形进行了分层优化，在满足各学科约束的情况下使飞行器在各个优化评估点处的气动性能均有所提升。     

面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法

风洞试验和飞行试验是飞行器研制过程中进行气动性能分析与优化设计的重要手段，然而，在高超声速飞行条件下，真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应的复杂变化给气动数据精准预测带来巨大挑战。为了提升天地气动数据一致性，针对某外形飞行试验数据开展了典型对象的天地气动数据融合方法研究。结合数据挖掘的随机森林方法，本文提出了一种面向飞行试验的数据融合框架，通过引入地面风洞试验气动数据，实现了对复杂输入参数的特征分析与特征排序，进一步对不同飞行时刻下飞行试验的气动数据开展了交叉验证。结果表明随机森林的机器学习框架对风洞-飞行试验数据关联具有较好的预测与外推能力，可以有效提升气动数据预测精度，相关研究为复杂环境下气动数据多源融合提供了思路。     

锥导乘波体气动代理建模方法研究

传统的气动计算方法计算繁琐、计算效率低,不适应于乘波体多学科设计优化,通过建立气动代理模型可以很好地解决气动计算精度和效率的矛盾.利用面元法进行气动估算,采集了锥导乘波体在设计点、非设计点的气动特性作为训练数据,构建了Kriging和LS-SVM代理模型,对比了两种模型对此高维问题的代理效果.结果表明,Kriging代理模型能更准确地表达锥导乘波体的气动特性,应用代理模型进行优化等工作的计算效率与传统气动计算方法相比有显著的提高.     

自动编码器在流场降阶中的应用

自动编码器作为一种压缩算法,在数据降维和去噪等方面有着广泛实践,有条件作为一种降阶方法在流场识别与数据处理方面得到应用。文章中以圆柱绕流为例,首先对圆柱后速度场建立了编码模型,用来对原始数据进行降维和特征提取,之后将编码后的数据与流场特征量相关联,建立了由流场编码回归圆柱表面压力系数的神经网络,探索了降维后数据的应用。结果表明,自动编码得到的结果能够承载原始速度场的主要信息,解码后速度场与原速度场测试均方根误差小于0.02,压力回归测试均方根误差可小于0.1。说明自动编码器能够作为一种流场的特征提取和降阶方法,在未来得到更广泛的应用。     

高超声速高焓风洞试验技术研究进展

高焓风洞及其试验技术是助力人类进入高超声速飞行时代的基石,近年来取得了长足的进展。本文首先重点介绍了四种典型驱动模式的高焓风洞,即直接加热型高超声速风洞、加热轻气体驱动激波风洞、自由活塞驱动激波风洞和爆轰驱动激波风洞。通过这些代表性风洞的介绍,讨论了相关风洞的理论基础和关键技术及其长处与不足。由于高超声速高焓流动具高温热化学反应特征,风洞试验技术研究还包含着针对高焓特色的测量技术发展。本文介绍了三种主要测量技术:气动热测量技术、气动天平技术和光学测量技术。这些技术是依据常规风洞试验测量需求而研制的,又根据高焓风洞的特点得到了进一步的改进和完善。最后对高超声速高焓风洞试验技术发展做了简单展望。     

飞行仿真气动力数据机器学习建模方法

基于机器学习思想,提出了一种大空域、宽速域的气动力建模方法。该方法利用飞行仿真弹道数据辨识的气动力数据,采用人工神经网络技术,实现了对高度、速度、姿态和舵偏角等多维度强非线性特性的全弹道气动力数据的高精度逼近。首先,分析了神经网络层数、隐含层神经元个数等对建模误差的影响,通过对典型弹道气动数据的神经网络建模计算,确定了较合适的神经网络层数和较优的隐层神经元个数。进而,利用飞行仿真的弹道数据辨识出沿弹道的气动力,采用神经网络建立了包含多个弹道融合的气动力模型,输出量分别为三轴气动力系数和力矩系数。最后通过气动模型输出量与原样本数据的对比,以及4条未参与训练弹道气动数据的预测,验证了该气动力建模方法具有较高的精度。建模结果表明:采用神经网络方法建立的飞行器气动力模型,对拟合多源耦合输入全弹道非线性气动力是可行的和有效的,在样本覆盖的高度、速度、姿态和控制舵偏角范围内,气动力拟合能力较强,并具有一定的外推性。该项研究可以为基于飞行试验数据的气动建模提供新的方法,并且能为飞行器气动力数据挖掘、飞行仿真和总体性能分析提供参考。     

硅基防热材料表面流动特性研究

硅基复合防热材料在气动热试验时,表面有大量的熔融物质在气流作用下形成流动的液态层,其表面流动特性直接影响防热材料表面温度、质量损失和线烧蚀量,也间接决定了防热材料的烧蚀性能和隔热性能。本文通过烧蚀机理分析和光学非接触式测量的方法,研究某类硅基材料的流动特性。烧蚀机理分析将熔融物质视为液态边界层,研究其与固体防热材料表面之间的运动特性,同时考虑质量引射效应和液态层蒸发现象,得出液态层流动速度与气流剪切力、液态层厚度和液态层动力黏度的相关公式。光学非接触式测量方法以3D摄影测量为基础,结合PIV增量相关匹配算法和光流法,研究熔融液滴在固体防热材料表面整体的和单一的运动特性。在某一特定的流场状态下,对于表面液态层流动速度,烧蚀机理计算结果为26mm/s,而光学非接触测量结果为10mm/s。两种方法的误差来源主要是理论假设、材料参数和测量区域等方面的不同。研究结果表明,液滴之间具有很强的相互作用且流动速度差距较大,烧蚀机理分析可以做为工程计算方法预估试验结果,而光学非接触测量可以做为烧蚀机理分析的验证手段,并给出防热材料在试验过程中的烧蚀特性。     

计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

平板自由下落的数值模拟

采用动网格技术,通过耦合求解N-S方程和运动方程的方法进行数值模拟,研究二维平板的自由下落运动。选取了不同质量分布的二维平板作为研究对象,研究初始角度、转动惯量和质心位置等因素对其自由下落运动轨迹的影响,以及其中的流体力学和动力学机理。数值模拟结果显示了二维平板的自由下落运动,除了摆动运动、翻滚运动和定常下落等经典运动轨迹外,随着质心位置的偏移还会衍生出非对称摆动、摆翻运动等特殊运动轨迹。研究结果表明:无量纲转动惯量和质心位置是决定二维平板自由下落运动方式的重要参数,但两者对下落运动影响的物理机制存在差异。这些结果对相关物理问题,特别是低雷诺数流体力学和动力学研究,具有一定的指导意义。     

基于电磁干风洞的大柔性结构准模态试验研究

结构的频率是结构的重要动力学特性,对于飞行器来说,当机翼等大型结构在非定常气动力作用下发生变形时,其频率也会发生变化。本文介绍了一种地面电磁干风洞试验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,在不接触模型的情况下对模型进行静动态加载。基于这种新的试验技术,建立了一种地面电磁干风洞实验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,可有效实现对模型结构的非接触式静态和动态气动力跟随加载。利用该实验系统,研究了静动态条件下,结构质量、刚度分布对飞机内载荷的影响;结构变形对结构动力学特征的影响。结果表明,结构的弯曲变形会影响结构的弯曲和扭转频率,结构的质量和刚度分布会对结构内载荷产生较大影响。这种新的试验方法有利于研究大柔性结构的气动弹性特性,对新型飞机的设计和研制具有重要意义。     

高超声速平板/空气舵热环境数值模拟研究

针对高超声速平板/空气舵模型开展了热环境数值模拟研究,重点分析了舵偏角δr、舵缝高度h和边界层流态对缝隙内舵轴及干扰区热环境的影响规律。研究结果表明:零舵偏状态缝隙内气流速度为亚声速,热环境可以忽略;舵面偏转时,缝隙入口气流速度和压力显著增大,在δr=5°～15°范围内,舵轴及干扰区热环境随舵偏近似线性增长;舵轴及干扰区热流随h增大呈现先上升后缓慢下降的趋势,h从5 mm增大到7mm时,舵轴热环境增加超过1倍;边界层流态对空气舵缝隙内热环境影响很大,在15°舵偏条件下,层流状态舵轴及干扰区热环境约是湍流的3～5倍,这是因为层流边界层较薄,缝隙内流速更高。     

多品种变批量产品智能制造系统框架

YU Chenglong;HOU Junjie;ZHAO Ying;XU Hao;ZHANG Wei(China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048, China)     

复合材料飞机机身工装模具一体化设计及验证

针对RX1E复合材料轻型飞机一体成型、胶结连接为主的工艺特性,进行了工艺方案的总体设计,包括装配顺序的确定和装配工装基准的选择等。其次,进行了一体化工装的结构设计,细化了制件模具的成型方案和结构零件的定位夹紧形式。最后,重新进行了尾翼、阻力板等较小部件制造,对一体化工装的实际使用进行了验证,类比分析了工装模具一体化的方案在复合材料结构轻型飞机机身上的技术可行性和先进性。研究成果可为复合材料飞机工装提供设计思路和参考。