Six sigma robust design optimization for thermal protection system of hypersonic vehicles based on successive response surface method

Lightweight design is important for the Thermal Protection System(TPS) of hypersonic vehicles in that it protects the inner structure from severe heating environment. However, due to the existence of uncertainties in material properties and geometry, it is imperative to incorporate uncertainty analysis into the design optimization to obtain reliable results. In this paper, a six sigma robust design optimization based on Successive Response Surface Method(SRSM) is established for the TPS to improve the reliability and robustness with considering the uncertainties. The uncertain parameters related to material properties and thicknesses of insulation layers are considered and characterized by random variables following normal distributions. By employing SRSM, the values of objective function and constraints are approximated by the response surfaces to reduce computational cost. The optimization is an iterative process with response surfaces updating to find the true optimal solution. The optimization of the nose cone of hypersonic vehicle cabin is provided as an example to illustrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

Numerical analysis of hypersonic thermochemical non-equilibrium environment for an entry configuration in ionized flow

A theoretical methodology for thermochemical non-equilibrium flow combing with the HLLC (Harten-Lax-van Leer Contact) scheme was applied to study the hypersonic thermochemical non-equilibrium environment of an entry configuration in ionized flow. A two-temperature controlling model was utilized and the Gupta’s 11 species (N₂, O₂, NO, O, N, NO⁺, N₂⁺, O₂⁺, N⁺, O⁺, e^?) thermochemical non-equilibrium model was taken. Firstly, numerical calculations of hypersonic thermochemical non-equilibrium environments for different aerodynamic shapes were carried out to verify the reliability of the method above. Then, the method was used to research the effects of ionization and wall catalysis on the hypersonic thermochemical non-equilibrium environment of the entry configuration in ionized flow. The shock stand-off distance can be reduced by thermochemical reactions but doesn’t continue to decrease significantly when ionization occurs. The shock stand-off distance calculated by the 11 species model is 4.2% smaller than that calculated by the 5 species (N₂, O₂, NO, O, N) thermochemical non-equilibrium model without considering ionization. Ionization reduces wall heat flux but increases wall pressure a little. The effect of ionization on aerothermal loads is greater than that of aerodynamic loads. The thermochemical reactions of electrons and ions catalyzed at the wall increase wall heat flux significantly but make a small change in wall pressure. The maximum wall heat flux obtained by only considering the electrons and ions catalyzed at the partially catalytic wall condition is 11.8% less than that calculated at the super-catalytic wall condition.     

吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。     

基于多模型预测的再入飞行器制导方法

在具有控制和轨迹约束的再入制导中,提出了一种新的基于多模型预测再入飞行器纵向制导方法。首先对再入飞行器的纵向运动方程沿着标准轨道线性化,基于分段仿射约束系统建模理论逼近原非线性系统,并采用线性矩阵不等式(LMIs)优化技术离线将保证闭环系统稳定的终端二次代价项求出;然后,在每个制导周期内,基于多模型预测在线求解构造好的有限时域优化目标,从而获得控制量的增量,并把第一个控制增量分量与标准轨道的控制量叠加后形成全量控制,用于实际再入轨道的制导,而在下一个制导周期基于新的状态参数重复上面的优化过程。数字仿真结果证实了所提方法的有效性。     

一种新的蚁群算法及其在飞行器设计中的应用

尝试将蚁群算法引入飞行器优化设计领域,为此建立了适用于高维、多目标、多约束优化问题的连续空间蚁群算法,并以高超声速飞行器气动布局的多目标优化设计为例进行了验证.优化设计结果与采用遗传算法得到的优化结果进行了对比,指出了蚁群算法的优点.该研究可为蚁群算法应用于复杂、高维的大规模飞行器设计问题提供参考.      

高超声速飞行器控制面热防护系统地面试验研究

针对高超声速飞行器控制面研发手段中极其重要的地面试验技术,以X-37轨道飞行器为例,介绍了国外的最新研究进展和关键技术解决途径,以及指导地面试验研究的方法,并针对控制面方案在评估和鉴定中必不可少的高温模态试验,进行了综述和分析。     

利用"火星快车"三程多普勒跟踪数据限定局部洛伦兹不变性

目前航天器的三程多普勒跟踪技术已经在深空探测的控制与导航领域起到了重要作用。利用包含了对局部洛伦兹不变性(LLI)以及局部位置不变性(LPI)原理有破坏的三程多普勒跟踪理论,研究分析了"火星快车"(MEX)三程多普勒跟踪数据的残差。这些多普勒观测于2009年8月7日和8日进行,利用了欧洲航天局(ESA)在澳大利亚新诺舍(New Norcia)的上行站和三个分别在中国上海、昆明以及乌鲁木齐的下行站。我们发现,这些观测结果给出的LLI上限在10-2的量级。但由于各观测站本身对频率测量的精度有限,这些数据并不适合于检验LPI。     

基于最优化问题的混合再入制导方法

在深入研究机动再入飞行器标准轨道和预测制导方法的基础上,针对标准轨道和预测制导相结合的制导方法,分析了由预测制导指令延迟引起的误差,提出了误差补偿策略.根据最优化理论,设计了相关性能指标函数,提出新的预测制导算法.并结合标准轨道法,通过对有限几个特征点位置上引入预测制导,形成了一种基于最优化问题的混合制导方法.有效减小了预测制导指令的解算时间,进一步降低了落点误差.仿真结果表明,该方法既具有较强的抗干扰能力和较高的制导精度,又具有一定的工程实用价值.     

基于模糊逻辑的预测再入制导方法

在研究再入飞行器预测制导基础上,针对实时性要求,提出了一种基于模糊逻辑系统的模糊预测制导方法.首先研究分析了再入飞行器落点纵程与飞行高度、弹道倾角三者之间的联系;设计了以再入飞行器落点偏差和飞行高度为输入,弹道倾角角速度为输出的模糊逻辑系统;并在此基础上根据专家经验制定模糊规则,设计模糊预测制导算法.该方法避免了一般预测制导在形成弹道倾角修正指令时所需要的大量迭代运算,有效减小了预测制导指令的解算时间,为再入飞行器在再入过程中全程使用预测制导提供了可能.仿真结果表明:该方法实时性好,落点精度高,抗干扰能力强,且具有一定的工程实用价值.      

高超声速飞行器预设性能反演控制方法设计

为解决吸气式高超声速飞行器的飞行控制问题,提出了一种新型预设性能神经反演控制器设计方法。通过构造预设性能函数,保证速度跟踪误差和高度跟踪误差能够按照预设的收敛速度、超调量及稳态误差收敛至期望的区域,同时满足系统预设的瞬态性能和稳态精度。在反演控制设计结构下,引入径向基函数（RBF）神经网络对模型未知函数及不确定项进行逼近,提高了控制系统的鲁棒性。引入的RBF神经网络中仅有一个参数需要在线更新,有效提高了控制准确性,避免了通常反演控制方法中经常出现的"微分膨胀问题",并降低了计算量。通过仿真实验验证了所设计控制系统的有效性和可行性。