打破喷气机飞行速度记录——X-43A试飞成功

3月27日美国国家航空航天局宣布，一架X-43A实验机在加州爱德华空军基地的试飞中，达到每小时7700千米（约7马赫），刷新喷气机的飞行速度最快记录。这次试飞成功不但大举扩充吸气式飞行的领域，也可能将改变未来人类在大气层内飞行甚至太空飞行的形态。     

高超声速飞行器离散模糊自适应控制

根据高超声速飞行器的欧拉近似离散模型,提出基于Back-stepping的模糊离散自适应控制器设计方法.结合模糊自适应控制和反馈线性化的方法,Back-stepping设计的每一步虚拟/实际控制量对系统非匹配的不确定性都能进行较好补偿.稳定性分析表明,该控制方法能够保证系统跟踪误差和模糊自适应参数误差是一致终值有界的.仿真使用了高超声速飞行器的纵向模型对算法进行了验证,得到了满意的控制效果.     

类X-20高超声速飞行器反馈线性化控制研究

通过对类X-20高超声速飞行器的气动系数与高度、马赫数、攻角、侧滑角和舵偏角的关系进行分析,对各项气动系数进行了简化和拟合,并将舵偏增量视作控制输入,在此基础上建立了类X-20飞行器仿射非线性形式的控制模型,证明了它是可以输入输出精确线性化的,从而可以设计反馈线性化控制器.最后在存在大气密度、气动力矩系数和转动惯量不确定性情形下,针对原动力学模型进行闭环仿真研究,原动力学模型考虑地球旋转,气动数据直接从类X-20飞行器的气动数据表插值得到.仿真结果表明,所设计的控制律可以实现控制目标,具有较强鲁棒性.     

高超声速飞行器关键技术量化评估方法

定量分析方法是使得发展战略研究与计划项目论证更具科学性的有力手段.在高超声速飞行器技术发展层面以及技术类别划分的基础上,归纳总结了高超声速飞行器的关键技术.采用量化评估方法,针对提出的评价准则进行了关键技术关键度的评估,得到了高超声速飞行器关键技术量化的排序结果,结果符合该领域对关键技术的一般认识,同时也体现出层次分析法在关键技术量化评估方面有着潜在的价值和意义.     

高超声速飞行器多段弹道协作优化

利用协作优化方法求解了高超声速飞行器多段弹道整体性能最优问题.将高超声速飞行器在垂直平面的弹道分成多段,对引入段、滑行段、下降段进行了优化设计,期望引入段终端时刻速度最大、滑行段距离最远、下降段时间最短.把3段弹道当成3个学科,以攻角和各段的初始状态作为输入,以末端状态作为输出.开发了并行协作优化设计软件coplatform,并求解多段弹道的整体最优解.其计算结果与all in one方法和全局敏度GSE(Global Sensitivity Equations)方法求得的结果一致,也验证了协作优化方法的有效性.      

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。      

高超声速飞行器抗饱和控制技术发展综述

对高超声速飞行器的姿态控制特点和抗饱和控制需求进行了阐述。针对高超声速飞行器抗饱和控制技术,分别从饱和近似函数、Nussbaum函数、最优化方法、线性化方法等方面对主动抗饱和控制方法进行了综述;从饱和补偿系统理论、补偿系统构型等方面对被动饱和状态补偿方法进行了综述。最后,对高超声速飞行器抗饱和控制技术发展进行了总结,并对该技术的未来主要研究方向进行了展望。     

高超声速飞行器在中间大气层内的飞行速度研究

基于FLUENT软件, 采用Sp-A湍流模型并运用AUSM计算格式,通过对球头模型在高超声速来流下的外流场模拟,得到了该模型在30km,45km,53km,60km和75km高度处,满足氧化铝陶瓷最大使用温度的极限飞行马赫数。结果表明：在53km以下时,极限马赫数随高度增加而减小,之后再增大,变化趋势符合气温变化规律,静温对驻点处的最高温影响巨大。     

一种非仿射高超声速飞行器的智能控制方法

针对非仿射高超声速飞行器控制问题,提出了一种基于强化学习的非线性反步控制方法。首先,基于高超声速飞行器的非仿射模型,设计了基于反步法的鲁棒跟踪控制器;其次,鉴于该控制器的性能和鲁棒性对参数比较敏感,借助深度确定性策略梯度的智能控制方法,对控制器进行了参数在线调整和控制指令补偿;最后,通过理论分析和仿真结果验证了当存在额外扰动和未建模动态时,所提出的智能控制器仍能保证攻角稳健跟踪期望目标。     

基于STK的高超声速飞行器可视化仿真平台研究

 论证了利用STK软件建立高超声速飞行器可视化仿真平台的可行性,研究了创建高超声速飞行器结构模型以及模拟其所处空间地理环境的方法,提出了利用STK/Connect模块功能实现分布式实时可视化仿真的策略,仿真结果表明基于STK的仿真平台能够满足任务需求。     

基于间隙度量的高超声速飞行器包线定量划分

针对高超声速飞行器飞行包线划分缺乏依据、传统划分方法繁琐等问题,将能够描述模型差异程度的间隙度量理论引入到包线划分过程中,提出了一种新型包线定量划分方法。详细阐述了基于间隙度量理论的线性系统间差异度的定量计算方法;以间隙度量值为量化指标,通过分析模型全包线特性变化规律,给出了确定区域划分边界的方法,并在此基础上给出了一种基于模型差异程度最小化的控制器设计标称点选择方法。结合某型高超声速飞行器进行了验证,结果表明该方法能够提高包线划分过程的自动化程度,分区和标称点选择合理,控制效果良好。     

高超声速飞行器自适应BTT末制导律

针对高超声速飞行器末段打击问题,提出了具有自适应能力的比例导引律,实现了高精度定点定向打击.通过纵向进入条件的分析,设计了一种提高比例导引进入时间的收敛策略,从而使飞行器有足够的时间进行横纵向调整,保证了落角落点约束的满足.由于制导参数直接影响落点和落角的精度,而飞行器动力学约束会导致无法理想响应制导指令,因此设计了一种闭环非线性自适应律,通过在线选择制导参数确保飞行器以高精度命中目标.仿真结果表明了该末制导方法的有效性和准确性.     

高超声速飞行器自适应BTT末制导律

针对高超声速飞行器末段打击问题,提出了具有自适应能力的比例导引律,实现了高精度定点定向打击.通过纵向进入条件的分析,设计了一种提高比例导引进入时间的收敛策略,从而使飞行器有足够的时间进行横纵向调整,保证了落角落点约束的满足.由于制导参数直接影响落点和落角的精度,而飞行器动力学约束会导致无法理想响应制导指令,因此设计了一种闭环非线性自适应律,通过在线选择制导参数确保飞行器以高精度命中目标.仿真结果表明了该末制导方法的有效性和准确性.     

高超声速伸缩式变形飞行器再入制导方法

针对高超声速变形飞行器再入制导问题,提出了一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器外形方案,建立了含有展长变形量的气动模型和动力学模型。将该变形飞行器的展长变形量扩展为控制变量,分析了倾侧角、展长变形量和终端航程、高度之间的关系。在此基础上,利用倾侧角和展长变形量在线预测剩余航程和终端高度,通过数值方法校正2个控制量以满足航程约束和高度约束,通过航向角走廊确定倾侧角符号。仿真结果表明:该变形飞行器再入制导方法制导精度高,相比于传统固定外形飞行器终端约束能力更强、轨迹更加平滑,且在扰动条件下具有一定鲁棒性。      

一种高超声速飞行器的非线性再入姿态控制方法

针对高超声速飞行器的再入非线性动力学模型,利用SDRE（state dependent Riccati equation）设计姿态控制器。基于奇异摄动理论,把姿态动力学分解成姿态角和姿态角速度跟踪内、外环回路,同时把非线性动力学伪线性化。每个跟踪回路用SDRE获得控制律,考虑到SDRE局部渐近稳定的特点,可以保证系统闭环稳定。最后设计高超声速飞行器飞行控制系统,并在高超声速条件下进行仿真,验证了该方案的有效性。     

高超声速飞行器纵向系统鲁棒协调控制器设计

飞行器在高超声速阶段,强非线性耦合与不确定性问题给飞行控制系统的设计带来了巨大的挑战。为了研究高超声速飞行器纵向控制系统中的间耦合关系,基于高超声速纵向非线性模型,对其状态变量组与输入变量组进行了耦合采样分析。同时考虑到系统的不确定性提出了一种分层鲁棒协调控制策略。对高超声速纵向的高度和速度子系统设计鲁棒与耦合补偿控制器,对姿态子系统设计鲁棒与耦合转换控制器。利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性。仿真表明该控制方法可以有效的应对纵向系统间的强耦合问题。     

高超声速飞行器滑行航迹优化

针对高超声速飞行器滑行的密度模型、动力学模型、空气动力模型和作为输入的攻角,将弹道问题转化为最优控制问题,采用极大值原理求得航程最大的一阶必要条件,采用多次变区间的遗传算法、非线性单纯形法和邻近极值法的组合优化策略来求解此两点边值问题,首先用多次变区间的遗传算法和单纯形方法求得全局航程最大,然后用邻近极值法得到合适的初值满足所有终端约束,通过对一高超声速飞行器的算例进行了优化计算,得到了最优弹道和优化算法的收敛曲线,并与升阻比最大飞行方案进行比较可知,最优控制方案求得的航程大于升阻比最大飞行方案的航程.      

高超声速飞行器一体化防热与热控设计方法

围绕高超声速飞行器所遭遇的"热障"问题,阐述了防热与热控系统一体化设计的思想,指出将机身结构、防热与热控系统、推进系统耦合在一起进行一体化设计是解决"热障"问题的有效途径,并提出了不同任务需求的高超声速飞行器防热与热控系统方案思路.介绍了部分防热材料的性能,指出了在设计中选择防热材料的原则.对防热与热控系统的优化方法进行了探讨,指出了防热与热控系统一体化设计中涉及的关键技术,举例说明了防热与热控一体化设计的基本流程.      

高超声速飞行器自适应切换控制及稳定性分析

针对高超声速飞行器巡航段控制问题,构造自适应切换控制并对闭环稳定性进行了分析.高超声速飞行器动力学模型具有非线性、多变量和开环不稳定的特点.首先给出动力学模型局部线性化的方法,并设计自适应切换律和非线性反馈控制.进而给出全局稳定性分析结果,证明在所设计自适应切换控制下,闭环系统指数收敛到状态原点附近一个小邻域内.     

考虑射程损失的高超声速飞行器突防弹道分析与设计方法

研究了高超声速飞行器突防机动造成速度损失进而影响射程的问题。高超声速飞行器在面对拦截威胁时需要靠自身机动进行躲避,而机动躲避将会使得飞行状态产生偏离,进而影响高超声速飞行器射程。针对此问题,首先分别建立弹道式和滑翔式高超声速飞行器运动学和动力学模型,然后考虑突防机动过程中造成的速度、弹道倾角等弹道参数变化,分别对弹道式和滑翔式高超声速飞行器的射程与弹道参数关系模型进行构建,得到突防机动-射程变化关系。之后, 通过数值仿真对突防机动-射程变化二者之间的关系进行验证,结果表明弹道式和滑翔式高超声速飞行器的机动均会导致射程变化,且变化规律与理论分析基本一致,验证了所提出突防机动-射程变化模型的正确性和有效性。最后,基于突防机动-射程变化模型,针对两种高超声速飞行器分别给出对射程变化影响较小的突防机动策略,为提升飞行器飞行性能提供理论和方法基础。