电动垂直起降飞行器的技术现状与发展

电池、电机技术的进步和分布式电推进系统的应用极大促进了电动垂直起降飞行器的发展。本文概述了不同电动垂直起降飞行器构型优缺点及适用场景,并从性能、经济性等方面对电动垂直起降飞行器与常规燃油飞行器进行了全面对比。在噪声特性方面,电动垂直起降飞行器旋翼间、旋翼-机翼等干扰噪声更为突出,而低桨尖速度、大实度的电推进旋翼系统极大降低了全机噪声水平（噪声降低约15 dB）。在能源方面,锂离子电池是当前和未来电动垂直起降飞行器的主要能源;先进的电池材料体系、电池-机体结构一体化设计及优良的电池管理系统是未来提升全机能量密度和能源安全的有效方式。电动垂直起降飞行器冗余操纵特点增加了飞控系统设计难度,但同时也能够提高全机安全性;故障重构与协同控制是飞控系统设计面临的新课题。电动垂直起降飞行器不仅构型种类丰富且具有高压电动力、电推进、电传飞控、电作动等新颖设计特征,当前缺少试飞数据的情况下,基于系统的工程方法是开展其安全性设计的主要方法。     

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

开飞机去越野

越野是一种崇尚自然的生活,但它却需要利器相伴。越野飞机则是所有越野利器中的至尊王者。越野飞机,又被称为"Go Anywhere Plane",即"无处不至的飞机"。开着它,飞越层峦叠嶂的山岭和云雾飘渺的河谷,再毫不费力地降落在冰原、雪地、革原、河滩或是湖泊上,这才是越野者真正想要的生活。     

快速升压过程喷管侧向载荷流固耦合分析

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的侧向载荷,采用三维数值仿真方法进行分析。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,结合FLUENT中UDF功能,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。计算结果发现,此大膨胀比喷管在快速升压阶段先后经历了自由激波分离和受限激波分离;分析得出了较强的侧向载荷主要由不对称的燃烧波、激波转变和喷管出口部位的激波震动3种状态产生;侧向载荷的大小也与快速升压的时间快慢有较大关系。采用流固耦合计算方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境,为更深入研究大膨胀比喷管侧向载荷提供了支撑。     

气动舵/侧向脉冲推力复合控制导弹最优控制及输出反馈问题研究(英文)

针对气动舵/侧向脉冲推力复合控制导弹,设计了复合控制自动驾驶仪,其包含最优控制器和控制分配两部分。应用最优/经典综合控制法设计的最优控制器用于求解虚拟控制量;控制分配模块将虚拟力矩分配到冗余的作动器上。该复合控制器结构简单,跟踪性能好,具有鲁棒性,并能考虑对作动器的实际约束。基于该复合控制自动驾驶仪,发现采用总加速度为反馈时系统的稳定性和跟踪快速性之间的矛盾严重。为解决这一问题,剔除总加速度中的瞬时影响因素,采用攻角产生的加速度作为反馈,仿真结果表明攻角产生的加速度作为反馈时系统具有更好的快速性。最后针对如何得到合理的加速度反馈进行了简要的讨论,结果表明将总加速度通过低通滤波器后再作为反馈,也可以获得良好的跟踪性能。     

卷弧尾翼火箭弹侧向气动特性数值计算

采用数值模拟的方法,以三维Navier-Stokes方程为控制方程,模拟卷弧尾翼火箭弹流场,得到的气动特性结果与实验数据基本吻合。通过对翼片的压力分析,说明了侧向力产生的机理。分析弹体各部分产生的侧向力,指出了卷弧尾翼对侧向力产生的主要作用。同时对卷弧尾翼火箭弹3组不同展弦比,3组不同翼曲率半径及5个滚转角时的绕流流场进行数值模拟,分析了侧向力系数随这些因素的变化趋势,为减小侧向力和增加火箭弹稳定性提供一定的依据。     

垂直返回重复使用运载火箭技术分析

结合SpaceX公司近期进行的多次猎鹰火箭一子级垂直着陆返回技术试验,对比分析垂直返回重复使用运载火箭两种返回方式的工程应用价值。首先,建立运载火箭一子级动力返回段弹道设计动力学模型。随后,提出基于H-V飞行剖面分段返回弹道设计方法。然后针对“返回原场”（RTLS）和“不返回原场”(NRTLS)两种垂直返回方式,构建综合考虑上升段与返回段的推进剂耦合作用的一体化弹道优化设计策略。最后,通过数值仿真,对比分析了两种返回方式下的火箭运载能力。结果表明,采用“不返回原场”方式的运载能力损失仅占“返回原场”方式的一半,具有较好的工程应用价值。