多源不确定性下的飞行器动载荷识别研究进展（英文）

动态载荷的确定是进行空天飞行器结构设计和健康监测的关键技术之一。然而,空天飞行器所受的外部激励往往很难直接测得,相反,根据动力学模型和响应信息来间接获取载荷的动态载荷识别是一种可行的手段。而且,复杂系统的载荷识别过程中普遍存在着不可忽略的多源不确定性,尤其对于空天飞行器来讲。本文对考虑多源不确定性的空天飞行器动态载荷识别方面的理论和成果进行了综述,主要包括确定性动态载荷的识别和不确定性动态载荷识别,分别阐述了不同类型的集中、分布载荷的反演方法和多源不确定性的量化、传播分析,并探讨了各自的优缺点。最后,分析了空天飞行器动态载荷识别今后可能的发展方向。     

飞行器飞行姿态不确定性传播分析

飞行器的飞行状态会受到诸多不确定因素的影响。例如飞行时的外部环境参数，制造时的容许公差和加工误差等不确定性变量会使飞行中的姿态控制产生偏差，导致飞行任务失败，甚至引发灾难性的后果。为此，本文提出了一种基于最优混沌多项式展开的不确定性传播分析方法，有效突破了高维不确定性传播分析面临的变量分布任意以及大规模计算等瓶颈问题。本文提出的传播分析方法，统一度量了高维设计变量中的不确定性，量化分析复杂不确定性对马赫数、动压、轴向过载系数及合成攻角等飞行姿态参数的影响，进而为飞行姿控及后续结构优化设计提供有效依据。     

目标函数的选择对雷达隐身优化设计的影响

根据飞行器的雷达散射截面(RCS)分布,合理确定飞行器隐身外形优化设计中的目标函数.首先,对3种目标函数(即威胁区域内RCS的平均值、大于临界RCS值的概率和被雷达检测的平均概率)的特点进行了分析和总结.然后,以一个典型飞行器隐身外形优化问题为例,分析不同目标函数对隐身外形优化结果的影响.计算结果表明:采用不同的目标函数会得出不同的优化外形,并在此基础上探讨了3种目标函数的相关性与区别.最后,总结出在隐身优化设计中如何合理确定目标函数的原则.     

多源不确定性下的飞行器动载荷识别研究进展

动态载荷的确定是进行空天飞行器结构设计和健康监测的关键技术之一.然而,空天飞行器所受的外部激励往往很难直接测得,相反,根据动力学模型和响应信息来间接获取载荷的动态载荷识别是一种可行的手段.而且,复杂系统的载荷识别过程中普遍存在着不可忽略的多源不确定性,尤其对于空天飞行器来讲.本文对考虑多源不确定性的空天飞行器动态载荷识...     

飞行器器—箭连接结构优化方法

以升力体式飞行器与运载火箭连接结构为研究对象,结合运载阶段飞行器结构及载荷特点,开展了器—箭界面连接结构载荷分配机理分析.分析表明连接螺栓分布位置、几何尺寸和安装边厚度等因素对螺栓轴力影响较大,同时影响连接位置局部变形,进而决定了由局部变形引起的螺栓附加弯矩.为实现器—箭界面连接效率最大化的目的,对连接结构优化方法进行...     

非确定结构系统区间分析的直接优化法

工程中的非确定性问题可以用区间分析、随机理论或模糊集理论进行求解。本文采用区间分析法来处理结构静力分析和设计中的不确定性问题。将结构系统中的不确定性参数用区间数来表示,用有限元法建立系统的控制方程。该控制方程是线性区间方程组。本文讨论了一些求解区间线性方程组的方法并提出了一种直接优化法。将方程组中的所有区间数都作为设计变量,区间量的变化区间作为相应的设计变量的边界约束,运用约束优化法求出方程组解的各元素的最大值和最小值。文中给出了两个算例,列出了本文算法与其他算法的结果比较     

应用确定性优化算法求解多目标气动设计问题的Pareto阵面

将确定性优化算法和Pareto阵面概念结合起来处理了多目标优化设计问题；给出了结合算法及数值过程的细节，并将其应用到了气动优化设计中；描述了如何用确定性优化算法快速抓获多目标优化问题的Pareto阵面以及能够抓获哪些类型的Pareto阵面。数值实验结果表明，确定性优化算法可以准确高效地抓获任意凸的和某些凹的Pareto阵面，故对于此类多目标气动优化问题，可用确定性算法代替进化算法。     

面向客机族的总体参数优化方法

客机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。开发客机族可占领更多的市场份额,是民机取得商业上成功的重要策略之一。由于要考虑通用性要求,客机族总体设计中参数优化问题有别于传统的单一机型总体设计中参数优化问题。研究并提出了一种有效的客机族总体设计阶段中参数优化方法。以设计中短程客机为背景,定义了客机族的总体布局形式,开发了飞机族总体设计综合分析模型,重点讨论了如何定义飞机族总体参数优化问题中设计变量、设计约束和设计目标。应用自适应进化算法求解该客机族总体参数优化问题。计算结果表明,优化后获得的总体参数能满足各机型设计要求,且能兼顾各机型的经济性。     

柔性翼微型飞行器垂直阵风响应特性的实验研究

微型飞行器因其体积小、重量轻、使用灵活、成本低,广泛应用于军民领域的侦查、通讯、搜救等领域.在制约微型飞行器发展的诸多因素中,阵风对微型飞行器的稳定、安全飞行影响很大.在南京航空航天大学非定常风洞内,研制了一套垂直阵风装置,进行了垂直阵风的流场测试.设计制作了一种柔性翼徽7型飞行器,并制作了刚性翼与其对比,在国内首次进行了微型飞行器垂直阵风实验.结果表明:柔性翼能够提高微型飞行器的失速迎角,且具有更好的纵向稳定性,有一定的垂直阵风缓和能力,有利于安全、稳定飞行.     

高超音速飞行器结构热试验技术面临的挑战

目前,高超音速飞行器已成为21世纪初的重点研究对象之一。高超音速飞行器结构与材料面临的挑战的最大根源在于其经受的严酷热环境。由于该类飞行器的流场复杂、气动加热问题严重、总体设计与发动机研制难度大、试验研究设备造价昂贵等方面的原因,在经过40多年理论与试验研究后,才逐步进入以具体型号为背景的工程研究与开发阶段。近期,美国空军研究实验室正在开展满足高超音速飞行器快速突防、迅速检测、     

基于多项式的多不确定参数控制律稳定性评估

基于多项式理论,研究了鲁棒D域稳定和评估空间自适应网格划分方法。在传统只分析单个不确定性参数对动态系统稳定性影响的基础上,实现了多个不确定参数同时摄动对系统稳定性的评估。基于该方法,以一种轴对称飞行器为研究对象,完成了在多种参数组合摄动下的纵向控制律稳定性评估,评估结果直观精确的显示了该飞行器纵向稳定和不稳定区域。     

连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题.以试验段尺寸0.6m×0.6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径.该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术.     

2m超声速风洞总体结构设计

“高速化”、“精确化”是未来飞行器一个极为重要的发展方向,是提高飞行器效能的有效手段,而先进飞行器的研制强烈依赖于地面模拟试验设备——风洞.目前我国现有的超声速风洞设备尺寸和试验模拟能力还有很大不足,主要体现在真实模拟、模拟能力、精确测量等方面.在这种背景下,开展了2m超声速风洞的建设,笔者针对风洞的特点主要介绍结构总体设计概况.该风洞为下吹一引射式暂冲型超声速风洞,采用全钢结构,主要涉及风洞总体布局、模型更换方式、支座布局、风洞洞体各部段间连接、密封和定位、风洞洞体的强度和刚度、洞体水压试验等问题.     

基于协同优化方法的多学科非概率可靠性优化设计

针对传统多学科优化是基于确定性的优化设计方法,为了获得更为可靠的结构设计,在设计中考虑了不确定因素对结构性能的影响.本文将非概率可靠性优化方法与多学科优化设计方法相结合,引入了非概率可靠性指标,提出了一种新的基于协同优化方法的非概率可靠性多学科优化设计方法.同时采用了基于均匀试验设计的响应面方法来近似学科优化,提高了遗传算法的收敛速度,降低了计算量.最后通过对跨声速机翼气动结构多学科可靠性优化设计算例的计算,验证了本文提出的方法能够保证设计解的可靠性,对工程实践具有一定的指导意义.     

机械展开式再入飞行器气动性能分析与优化

机械展开式再入飞行器由于气动面积较大,可以有效地进行气动捕获和气动减速,但需研究分析主要气动外形参数对气动性能的影响并通过优化进一步提高减速效果。针对计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）开展再入飞行器外形优化计算量大、耗时多的问题,提出了一种基于反向传播（back propagation, BP）神经网络的气动性能优化方法。在对再入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,通过CFD方法进行高精度气动力性能计算,对样本计算结果进行方差分析;再利用BP神经网络对生成的样本集进行非线性拟合,构建神经网络气动性能近似模型;最后使用多岛遗传算法和BP神经网络模型开展阻力最大的气动外形设计优化,并对优化结果进行参数灵敏度分析。结果显示,该优化方法可以快速准确地求解优化模型,在保证精度的同时大幅提升了计算效率,可为未来工程设计和应用提供参考。     

基于代理模型的气动设计稳健优化方法

为了减少不确定分析的计算量,提出了一种基于代理模型的不确定性气动设计优化方法,其中代理模型主要用于简化不确定分析计算过程.运用拉丁方试验设计和Krig-ing建立了代理模型,用随机参数来表示尺寸误差和飞行条件的变化.基于代理模型,以蒙特卡洛模拟法作为不确定分析方法,求解气动性能的均值和方差.在此基础上定义了气动稳健优化问题的表达式,用遗传算法进行求解,并以某翼型的优化问题对该方法进行验证.结果表明,通过该方法得到的最优解对不确定性的敏感度大大减小,同时在不确定的情况下仍然能满足设计约束条件.     

适合于柔性结构扑翼飞行器的空间非定常涡格法

推导了新的基于空间非定常涡格法的扑翼飞行器升力和推力的计算公式,然后分析了瞬时形状速度对它们的影响.与实验结果的对照表明,基于向量分析、考虑了飞行中的诱导阻力因素的新公式可以有效地估算升力和推力.由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形,本文考虑了空间涡格法中扑翼的η/t对气动力的影响,提出了η/t的表达式,使之更接近真实扑动情况,并计算了其对扑翼飞行器升力和推力的影响.通过计算发现,升力系数和推力系数的正峰值和负峰值随η/t增大而增大,平均升力和平均推力也随η/t增大而增大,表明可以通过改变结构参数达到改善气动性能的目的,对扑翼飞行器的研制有一定的指导作用.     

用模糊综合评判法评估薄壁容器的寿命

针对影响薄壁密封容器寿命的许多因素具有复杂性、非确定性以及时变性的特点,提出了用动态二级模糊综合评判的方法对其寿命进行评估,建立了评估的数字模型和评估流程。在对飞机整体油箱的寿命分析中,考虑到保留所有评判因素的影响,采用了乘、回型模糊算子,并用层次分析（ＡＨＰ）法来确定评价指标权重。计算结果表明,该方法能够解决油箱寿命评估中一些复杂因素的处理问题,具有一定的实际工程意义。     

HIFiRE项目中气动/推进一体化高超声速飞行器设计研究

美澳通过HIFiRE项目在高超声速飞行器的气动、推进和控制等领域进行了深入探索,并对一体化设计有动力飞行器的高速性能进行了评估。以单项验证、步步推进的系列飞行试验方式,对乘波体布局以及不同动力方式开展原理研究,结合飞行试验对设计状态进行验证,取得一系列有价值的飞行数据和阶段性成果。通过梳理气动/推进一体化过程中相关飞行试验,提炼出总体设计中的关键技术和试验结论,并对有动力飞行器的发展趋势作了分析。研究显示发生转捩的单位雷诺数范围在3×106~4×106之间,适应小迎角高升力特点的乘波体与超燃冲压发动机的组合成为优选方案,所取得的成果为带超燃冲压发动机高速飞行器总体方案设计提供了一定的参考。     

飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向

通过对飞机总体多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization,MDO)研究进展的分析,为飞机总体MDO进一步研究和应用提供基础.首先阐述飞机总体MDO与传统飞机总体参数优化的区别,然后介绍MDO领域中重要成果,包括代理模型技术、多学科敏度分析、MDO策略和MDO环境.着重分析飞机总体MDO的关键技术及其实现途径,包括飞机总体MDO流程、参数化飞机几何模型、分析模型的自动生成、耦合关系分析与表示、数据交换与数据管理和MDO环境的建立.指出面向一体化产品开发团队的MDO、基于不确定性的MDO和面向飞机族的MDO是飞机总体MDO研究的3个新的研究方向.飞机总体MDO使飞机总体设计过程更加科学化和自动化.