流体力学深度学习建模技术研究进展

深度学习技术在图像处理、语言翻译、疾病诊断、游戏竞赛等领域已带来了颠覆性的变化。流体力学问题由于维度高、非线性强、数据量大等特点,恰恰是深度学习擅长并可以带来研究范式创新的重要领域。目前,深度学习技术已在流体力学领域得到了初步应用,其应用潜力逐渐得到证实。以流体力学深度学习技术为背景,结合课题组近期研究结果,探讨了流体力学深度学习建模技术及其最新进展。首先,对深度学习技术所涉及的基本理论做了介绍,阐释流场建模中常用深度学习方法背后的数学原理。其次,分别对流体力学控制方程、流场重构、特征量建模和应用等几个典型的人工智能与流体力学交叉问题应用场景所涉及的深度学习技术研究进展进行了介绍。最后,探讨了流体力学深度学习建模技术所面临的挑战与未来发展趋势。     

基于非线性模型预测控制的火箭垂直回收姿态控制方法

针对火箭垂直回收着陆段强扰动、强参数不确定性、箭体姿态动力学高动态变化的飞行特性,提出了一种基于非线性模型预测控制的火箭垂直回收姿态控制方法。首先,基于四元数构建姿态控制数学模型;然后,在非线性模型预测控制框架下求解控制指令;同时,引入反馈校正机制与变时域策略以提升控制精度,进一步利用ESO观测扰动。仿真结果表明,控制器响应速度快、跟踪精度高,观测器能够有效观测并补偿扰动,具有较强的扰动鲁棒性。     

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。     

液氧温度对某液氧液氢发动机性能影响研究

结合某液氧液氢发动机实际飞行中二次工作段入口液氧温度升高和推力下降现象,分析了液氧温度对发动机性能的影响方式和修正方法.通过过冷液氧的发动机试验,对液氧温度影响性能的两种方式分别进行了修正,可将某液氧液氢发动机二次工作段推力与一次工作段的偏差降低约24％,将发动机飞行燃烧室压力与交付值的偏差降低约8％.     

考虑界面微观滑移的连接非线性系统多尺度分析

振动环境下,连接界面上存在着复杂的多尺度粘滑摩擦行为,进而造成含连接系统复杂的非线性振动现象。本文针对机械结构中的搭接连接系统,采用改进的Iwan迟滞非线性模型建模连接界面的多尺度粘滑行为,建立了连接系统的非线性运动方程,利用多尺度摄动分析方法研究了系统在初始条件下的自由振动,获得了系统响应的近似解析解并与直接数值积分解进行了对比;研究了粘性阻尼系数、刚度比等参数对系统动力学响应的影响。结果表明,Iwan迟滞非线性模型能够复现界面多尺度的微观粘滑行为;多尺度近似解析解和数值解吻合很好;连接系统的自由振动过程中,系统相轨迹以螺线收敛,但平衡位置可能发生偏移;界面切向刚度表现出随振幅增大而减小的软化非线性特点,系统瞬时固有频率随振幅减小而增大;振动过程中连接界面单位周期的能量耗散随振动幅值的减小而减小。研究结果为进一步探索含连接复杂装配结构的非线性动力学行为提供了基础。     

可重复使用运载器再入数学建模

针对可重复使用运载器(RLV)方案论证和初步设计阶段对模型的需求,提出了一种RLV再入概念设计,进行了数学建模研究。RLV采用翼身组合体的气动布局,包括左右升降副翼、方向舵和机体襟翼。对其无动力再入返回姿态控制,建立了反作用控制系统/气动舵复合控制数学模型。再入过程要经历自由分子流区、稀薄大气过渡流区和连续流区,基于气动力的工程计算方法建立了这三个流区的RLV气动模型。控制特性分析与六自由度再入仿真表明,所设计的RLV控制模型具有与航天飞机轨道器一致的再入飞行特性,证明了数学建模的有效性,能够进一步用于RLV姿态控制的研究。     

“龙”飞船完美执行第三次空间站补给任务

2014年4月18日,美国太空探索技术（SpaceX）公司的猎鹰-9v1.1火箭升空,成功将＂龙＂飞船送入目标初始轨道,执行该公司第三次空间站补给任务。同时,火箭第一级在关机和级间分离之后还进行了海面软溅落回收验证试验,成为此次任务的最大亮点。随后,＂龙＂飞船用自身推力器提升轨道,4月20日与＂国际空间站＂交会,被站上机械臂捕获,停靠在和谐号节点舱上。此次任务中,＂龙＂飞船共向＂国际空间站＂运送约2268kg货物,任务持续一个月。5月18日,＂龙＂飞船携带1560kg系统硬件、科学货物和废物再入大气层,安全溅落在太平洋上。     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

一种正负刚度并联低频隔振器的刚度和动力学特性分析

随着航空航天领域机械结构的大型化、柔性化发展,减振隔振愈发重要。设计了一种具有非线性刚度和非线性阻尼的正负刚度并联的低频隔振器,其负刚度特性和正刚度特性分别由两组倾斜弹簧和一根竖直弹簧实现;研究了隔振器的高静刚度低动刚度特性和阻尼特性,并对其隔振带宽进行分析,比较了分别由两组斜弹簧和一组斜弹簧实现负刚度的两种隔振器的刚度特性;利用谐波平衡法求解隔振器动力学响应,推导了隔振器振幅放大系数和振动传递率的表达式;通过数值仿真对比验证了谐波平衡法求解的系统响应的正确性,详细研究了所设计的正负刚度并联隔振器的刚度,阻尼及激励幅值等因素对振幅放大系数和振动传递率的影响