面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性,考虑大气密度随高度的变化和引力梯度,建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程,然后获得转移矩阵和特征方程,在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局,并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析,得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度,对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃,即使是牺牲一些射程上的性能,因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

求解最优月球软着陆轨道的隐式打靶法

基于间接法思想推导出一种隐式打靶法对月球软着陆轨道优化问题进行了研究。建立月球软着陆轨道归一化系统模型,利用庞特亚金极大值原理将月球软着陆轨道优化问题转化为满足最优必要条件的两点边值问题（TPBVP）,采用一种新的时间变量使两点边值问题的终端时刻固定,同时将终端时刻看作状态变量并引入终端时刻的哈密尔顿函数值作为隐式终端条件,提出一种隐式打靶法对含有隐式终端条件的两点边值问题进行迭代求解,从而得出燃料消耗最优的月球软着陆轨道。仿真结果表明,与直接法和混合法相比,隐式打靶法优化精度高,收敛速度快,实现了月球软着陆过程燃料消耗最优。同时应用隐式打靶法求解不同发动机推力值的最优月球软着陆问题,得到燃料消耗最小的最优推重比,可为月面着陆器下降级发动机选型提供参考。     

航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势

航空发动机叶片的型面精度及表面完整性对其疲劳寿命和气流动力性等影响巨大。机器人砂带磨削由于其灵活性好、易于调度、通用性强等特点成为提高叶片表面完整性的有效加工方法之一,但是工业机器人一般仅适用于粗加工,而对于半精加工以及精加工,提高机器人的定位精度是决定加工质量的关键问题。因此,对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行归纳总结,为实现叶片精密磨削提供参考。首先,对叶片机器人砂带磨削系统的组成和结构形式进行了论述,从磨削接触廓形、材料去除规律和表面完整性等方面对砂带磨削机理进行了分析;其次,分别从基于CAD模型、数学模型和人工知识学习三方面总结了叶片机器人砂带磨削轨迹规划方法;然后,对叶片机器人砂带磨削运动控制技术研究进行了介绍,并分析了叶片机器人砂带磨削系统及集成技术;最后,对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行了总结,在此基础上对其发展趋势进行了分析。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题,提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题,进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化,将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区,最终到达指定点。此外,本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性,并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标,同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求,提高了计算效率。仿真结果表明,本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

基于脉冲初值的小推力转移轨道优化研究

针对小推力转移轨道优化过程往往忽略初值多样性的现状,研究了基于不同脉冲初值的小推力转移轨道优化问题。基于直接法的离散思想建立了小推力转移轨道优化模型,提出了基于粒子群和序列二次规划的组合优化算法,以地球1∶1共振近地小行星2016HO3交会任务为例,将3种典型的脉冲轨道作为初值设计了燃料最优小推力转移轨道。仿真结果表明:3种初值轨道优化得到了2个小推力转移发射窗口,两者燃料消耗差距不超过6%。不同的初值对小推力轨道的整体性能指标影响较小,但开关机时刻和推力方向的变化会产生较大差异,从而得到不同的最优控制曲线。     

高超声速飞行器非连续点火助推增程弹道设计

针对高超声速飞行器因防热烧蚀而制约整体射程的问题,创新提出了一种非连续点火助推方案,通过增大助推段射程的弹道设计方法提高飞行器整体射程能力,减轻后续段的射程压力。综合考虑动压、过载、控制和终端高度、速度、弹道倾角等约束条件,以助推段射程最大为目标函数,设计了非连续点火助推段飞行程序和纵向平面弹道优化模型,采用改进的梯度粒子群算法进行优化求解。仿真结果表明,改进的梯度粒子群算法能有效解决非连续点火助推弹道设计问题,设计的非连续点火助推弹道方案在满足各项约束的同时,助推段射程比连续点火方案提高了8.7倍,射程达到了4 800 km,增程的效果十分明显。     

粒子群算法在机动指令跟踪控制器中的应用

基于Backstepping的设计思想设计了机动轨迹跟踪控制律,以实现战机某些预定的战术机动动作。首先,将飞行动力学模型和运动学模型分解为三轴方向的相对简单的子系统,然后采用反步法分别设计控制律,使得整个系统渐近稳定。由于控制器中含有可调参数,每次跟踪不同的参考轨迹都需要重新设定控制器参数值才能达到良好的跟踪效果,因此利用粒子群算法对控制器参数进行了优化整定,从而保证控制器的自适应性。最后,以机动动作库中战机的某些机动动作为参考轨迹实现全局渐进跟踪,取得了良好的跟踪效果,验证了粒子群算法在控制器参数寻优中的有效性和可行性。     

亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹设计及仿真

对亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹生成方案进行了研究。该方案将地面投影几何轨迹参数化,通过迭代计算参数生成标准轨迹,验证轨迹可行性并选择最优轨迹。经仿真验证,该方案能够在较短时间内完成轨迹的在线生成,结果满足进场着陆要求。     

高空环境下超远程火箭的角运动模型

为了分析火箭在高空飞行时的角运动特性,基于牛顿第二定律和动量矩定理,分别在线性气动力和非线性气动力假设下建立了同时适用高低空的火箭角运动模型,分析了模型特点及其与弹道学中角运动模型的差异。结果表明,研究火箭在高空飞行的角运动特性时,应当进一步考虑一些在低空模型中可忽略的项;非线性角运动模型不能通过将非线性气动力直接代入线性角运动模型得到,还将含有一些与迎角平方导数有关的项。所建立的新模型对分析火箭在高空环境下的角运动特性具有一定的参考价值。     

液压Stewart平台基于工作空间综合偏差的同步控制

 为了抑制轨迹跟踪过程中各自由度运动之间的相互干扰,将平台跟踪的轨迹进行泰勒级数展开,提出基于工作空间含有各向自由度运动自身跟踪偏差和各自由度运动之间耦合干扰偏差的综合轨迹跟踪偏差量的表达式。根据工作空间综合偏差量反馈,利用反步法设计鲁棒控制器,使各向自由度运动自身跟踪偏差与之间的耦合偏差同时稳定地趋于零,以限制跟踪过程中各自由度运动之间耦合干扰。同时,考虑到实际平台惯性参数不确定性,推导得出惯性参数自适应律,以提高系统的跟踪精度。利用AMESim与MATLAB进行联合仿真验证,结果表明:与传统的比例 积分 微分（PID）控制器相比,该方法在保证各自由度运动自身跟踪偏差稳定收敛的同时有效地降低了各自由度运动之间的耦合干扰偏差,更有效地提高了平台的跟踪性能。