人类何时才能突破高超声速屏障

高超声速飞行在广义上可泛指在大气层中马赫数大于5的飞行。在这个意义上,飞船、航天飞机(包括美国的X-37B)、导弹的再入段,都有一段是高超声速飞行,包括它们的上升段,也有一段是高超声速飞行,但它们都没有进行高超声速巡航,遇到的问题相对简单。在本文中我们着重讨论用吸气式发动机在大气层中进行高超声速巡航的飞行器,以及用火箭助推到高空然后滑翔     

吸气式高超声速飞行器热气动弹性研究进展

吸气式高超声速飞行器是当前航空航天领域研究的热点,该类飞行器通常使用超燃冲压发动机作为推进系统,并采用一体化设计方案,带来了一系列的气动弹性问题。首先阐述了吸气式高超声速飞行器机体/发动机一体化建模研究进展;随后介绍了热气动弹性/推进耦合、控制系统耦合以及不确定性分析等方面的热气动弹性动力学研究进展,并对相关热气动弹性试验研究进行了分析;最后对吸气式高超声速飞行器的热气动弹性问题提出了若干研究建议。      

高超声速涡轮/冲压组合发动机方案

为满足高超声速运输机在宽广的工作范围内(Ma＝0~5,H=0~30 km)稳定,可靠工作,研究了涡轮/冲压组合动力装置并联方案.完成了涡扇发动机和冲压发动机的总体性能方案设计,2种工作模式转换过程和沿飞行轨迹的组合发动机稳态特性模拟也已接近尾声.建立了适合高超声速飞行的涡扇发动机、冲压发动机可变几何的部件级详细性能计算模型,比较分析了涡扇发动机的加力方案;考虑了进气道/发动机流量匹配对发动机特性的影响;给出了涡轮/冲压模式转换阶段的稳态性能仿真结果.      

高超声速飞行器冲压燃烧室随机振动响应分析

利用高超声速冲压发动机燃烧室结构试验结果完成了地面试验状态下燃烧室壳体复杂结构随机振动响应分析,并与试验结果进行了对比分析,试验验证了所采用的飞行器复杂结构随机振动响应分析方法和技术途径.在此基础上,采用试验压力载荷数据,对飞行状态下燃烧室结构的随机振动响应进行了分析,得到燃烧室结构加速度响应的功率谱密度曲线及均方根值,该项工作对飞行器的动力环境初步预示工作具有重要的工程应用价值.      

美军发展高超声速武器再升温

正国内外媒体高度关注的高超声速武器基本是两类:以超燃冲压发动机为动力的巡航导弹和高超声速助推滑翔飞行器。对于前一类飞行器,美军的高超声速试验飞行器X-51A先后进行了4次飞行试验。2013年5月,美国的高超声速试验飞行器的最后一次飞行,达到飞行速度超过5,在这个速度下飞行了210秒。2010年4月和2011年8月,美国的高超声速试验飞行器HTV-2的两次飞行试验,均告     

高超声速串联式组合动力装置方案

为保证高超声速运输机在宽广的飞行包线内(Ma＝0~5,H=0~30km)稳 定可靠工作,对涡轮/冲压组合动力装置串联方案展开研究.首先建立了经试验数据校核的 适于高超声速飞行的组合动力装置部件级变循环详细非线性性能计算模型;在此基础上,利 用发动机设计点热力循环分析和非设计点性能分析方法对串联方案的综合特性进行评估,最 终给出一种经过优化的串联布局涡扇/冲压组合动力装置总体性能设计方案.研究结果表明 ,优化方案可有效地缩小组合发动机的结构尺寸与重量,有利于进气道,喷管的调节以及冲 压燃烧室燃烧的组织.通过综合调整发动机5个可调几何部位以及涡轮发动机燃油流量和冲 压燃烧室燃油流量,可以实现涡扇/冲压模式的平稳转换.      

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。     

考虑弹性影响的乘波体飞行动力学特性

针对典型的吸气式乘波体构型高超声速飞行器,研究了结构弹性对纵向静态特性和飞行动力学特性的影响.使用当地流活塞理论给出了高超声速非定常气动力模型,并结合简化的超燃冲压发动机模型及弹性机体结构模型,建立了考虑气动/结构/推进耦合的飞行器非线性纵向动力学模型.基于该模型分析了机体弯曲刚度变化对飞行器定常平飞配平参数、飞行包线以及动力学系统开环零极点的影响.结果表明:机体结构刚度降低将使配平升阻比减小,动稳定性变差,并且当其低于某一临界值时,升降舵配平特性将由正操纵变为反操纵.     

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。      

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

再入飞行器制导与总体参数的一体化设计

研究高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计问题.论述飞行器总体设计中气动特性、姿控能力、防隔热水平、伺服能力、质量、结构强度、战标等总体参数对制导的影响,指出高超声速再入飞行器外形及制导的特点决定了在概念设计、方案设计阶段就需要考虑制导需求.以某飞行试验为背景,开展制导总体方案论证,协调飞行器总体参数与制导方案,给出高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计的途径,为再入飞行器的工程研制提供思路.     

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。     

高超声速翼面气动热与静气动弹性综合分析

研究了考虑热效应影响的高超声速飞行器的静气动弹性问题.建立了考虑热效应影响的高超声速飞行器从气动热计算到静气动弹性分析的快速分析方法,该方法采用分层求解思路对热气动弹性问题进行解耦,利用边界层外的无粘数值求解和边界层内的工程算法相结合的方法,计算高超声速飞行器的表面热流,获得模型的温度场,并基于该温度场计算结构热刚度矩阵.以高超声速飞行器小展弦比翼面为研究对象,计算了该模型在3种飞行状态下的温度场、热应力、热刚度和静气动弹性特性,从而验证了热静气动弹性快速分析方法的可行性和适用性.     

试验

<正>俄重启高超声速超燃冲压发动机飞行试验俄罗斯格罗莫夫试飞院官员透露,计划在未来3年~4年内完成全部GLL-AP-02超燃冲压发动机试验飞行器的飞行试验,项目资金困境和技术问题目前正在慢慢得到解决。GLL-AP-02是俄罗斯版的X-51,是继GLL-VK和GLL-31项目之后俄罗斯火箭助推式高超声速试验飞行器的最新项目。该官员透露,西方制裁对该项目未造成任何影响,该项目具备军民两用前景。目前俄罗斯正在与澳大利亚和欧盟合作开展HEXAFLY高     

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.     

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。