基于高拟真度模型的高超声速飞行器静气动弹性优化

为解决基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)高拟真度模型的静气动弹性优化过程中模型更新自动化困难、求解速度慢的难点,提出了基于几何主模型技术的CFD/CSD一体化参数化建模方法和基于网格单元修正的常体积四面体(CVT)数据交换技术,并引入响应面模型来降低气动弹性优化求解难度.通过AGARD 445.6机翼静气动弹性分析对上述方法的可行性和有效性进行了验证;并以某高超声速飞行器为例,采用基于二次响应面的多目标优化算法进行了CFD/CSD气动弹性分析与优化,优化后飞行器升阻比增加16%,结构质量减少9%,且响应面模型精度拟合误差不超过1.5%.计算结果表明:所发展的CFD/CSD一体化参数化建模与优化方法能够有效地解决高拟真度模型的静气动弹性优化问题.      

基于Karhunen-Loève展开的分布式变体飞行器最优控制方法

针对分布式变体飞行器变形规律优化问题的特殊性和计算困难性,提出了一种有效的解决方法。该问题的变形变量在空间和时间上均具有无穷维度,求解难点体现在:现有最优控制方法无法直接求解无穷维控制量问题;变形引起的气动模型数据维度增加,计算量呈级数增长,制约了优化求解。针对这两个问题,基于Karhunen-Loève展开方法对分布变形域进行离散和降维,采用有限维变形控制参数和几何模态描述,将原优化问题转化为可求解的有限维最优控制问题;采用Kriging方法和拉丁超立方抽样(LHS)方法构造了与变形控制参数相关的气动代理模型,大幅降低求解该问题的严重计算负担;结合离散降维最优控制模型和气动代理模型,基于hp自适应伪谱方法,建立了变形规律优化求解过程。以翼型分布式变体问题为例,对给定的飞行任务要求,以燃料消耗最省为目标,实现了全弹道翼型变形过程和迎角、燃油消耗率等控制量的同时优化,获得了更省能量的变体飞行方案,验证了所提方法的可行性。本文所发展方法具有通用性,能扩展到机体/弹体等更为复杂的变体形式,可为未来变体飞行技术发展提供支持。     

复杂约束下的编队姿态有限时间协同控制方法

综合考虑无角速度量测、外部扰动和系统参数不确定性等约束条件的影响，研究航天器编队姿态有限时间协同控制问题。首先建立航天器相对姿态协同控制模型，利用扩张观测器实现对系统姿态角速度及耦合扰动的估计；在此基础上提出了一种有限时间滑模姿态协同控制律；通过构造合适的Lyapunov函数证明了系统相对姿态误差能够在有限时间内收敛到有界域内；将该结果推广到存在饱和输入情形下，并设计了相应的有限时间滑模姿态协同控制律。仿真结果校验了算法的有效性。     

基于KS函数的协同优化算法及其应用

多学科设计优化(MDO)是当前航空航天复杂系统设计研究中一个最新、最活跃的领域,针对多学科设计优化中协同算法优化过程中存在的收敛困难、计算量大、费时等问题,提出一种新的系统级约束处理方法,利用KS函数的凝聚特性,将系统级的多个学科约束凝聚成一个拥有光滑高阶可微的可行域单约束,来取代罚函数法中的多个约束,以缓解多约束之间的冲突并加速收敛速度.利用两个典型算例进行测试,结果表明改进方法有效.     

全向攻击型空-空导弹杀伤概率计算及分析

本文提出了全向攻击型空－空导弹单发杀伤概率的计算方法，建立了以尾追和迎攻为特征的完整的杀伤概率数学模型；用灵敏度分析技术研究了遭遇参数、战斗部及引信参数对杀伤概率的影响。本文方法用于红外导弹总体设计方案算例，仿真结果与工程设计经验相符，证实了该方法有效可行。     

基于两级优化策略的导弹可变翼优化设计

针对多任务、可变翼导弹的外形优化设计需求,提出了一种两级优化方法,研究变形弹翼对导弹总质量和飞行性能的影响。在给定的任务和基准方案下,采用遗传算法和模式搜索法混合优化策略,完成了弹翼优化。结果显示,优化后的导弹发射质量和燃料消耗分别减小了5.46%和15.25%。     

协作优化方法的计算特性及其应用范围研究

协作优化方法是近年来发展起来的一种多学科设计优化方法,适用于求解大型分布式分析问题.本文分析了协作优化方法的基本构架和数学表达形式,研究了协作优化方法的计算特性,提出了对这种方法的改进途径,最后讨论了这种方法在多学科设计优化领域中的应用.     

伸缩弹翼巡航导弹气动外形优化研究

基于一种伸缩弹翼改变巡航导弹外形的概念,提出超声速巡航与亚声速盘旋相结合的飞行任务,使用Missile Datcom作为气动计算的工具,分别对固定翼、两级伸缩翼和三级伸缩翼的外形参数进行了优化,使三种不同弹翼导弹完成相同飞行任务的燃料消耗分别最小,优化方法选取遗传算法与模式搜索法相结合的混合优化策略.优化结果显示,两级、三级伸缩翼巡航导弹相对固定翼巡航导弹燃料消耗量分别减少7.8%和12%,表明伸缩弹翼有效提高了巡航导弹在整个飞行任务中的气动性能.     

月球最优软着陆两点边值问题的数值解法

借助庞特里亚金最大值原理(Pontryagin′s Maximal Principle,PMP),将月球燃耗最优软着陆问题转化为终端时间自由型两点边值问题(Two Point Boundary Value Problem,TPBVP)。采用一种基于初值猜测技术的线性摄动法求解TPBVP,得到最优软着陆轨迹。仿真结果表明,初值猜测技术得出的伴随变量初值均落在线性摄动法的收敛区间内,收敛速度快,优化精度高。最后研究了不同制动推力大小对软着陆性能的影响,结论为:增大制动发动机推力,既可缩短软着陆的时间,又能减少软着陆的燃料消耗。     

基于整体级概念的多级固体运载火箭设计与优化

针对多级固体运载火箭小型化需求,采用整体级概念(ISC)进行总体方案改造和优化设计.描述了2种ISC概念的特点,以某三级常规方案固体运载火箭为基准,通过利用级间的剩余空间,完成ISC方案改造.建立了运载火箭的整体级发动机动力计算模型、气动计算模型和弹道计算模型,并结合任务指标要求,提出了运载火箭的总体参数优化模型.在相同的任务条件下,完成了常规方案和2种ISC方案的优化.结果表明,引入ISC概念可将运载火箭体积缩小15%～20%,起飞总重缩小1%～1.5%,满足了总体指标要求,达到了运载火箭小型化设计目的.