高超声速飞行器研制系统工程风险概率分析

针对高超声速飞行器研制工程的高风险特点,对工程决策方和研制方面临的不同类型风险进行了建模分析。基于系统方案或关键技术的固有风险概率和抽象化的研发与验证过程,分别计算分析了工程决策方误判验收通过不合格产品和研制方过度研发或重复验证较低失败概率产品的风险概率,进而提出了高风险研发项目中研制方过度研发风险的概念,明确了工程决策误判风险与研制方过度研发风险的相互影响规律,并基于概率方法建立了一种可以综合权衡决策方风险和研制方风险、合理确定研制周期的系统工程优化方法。     

极小化相位误差加权间断有限元辛方法

对于线性Hamilton系统,辛差分方法可以保持系统的辛结构,有限元方法可以保证系统的辛性质并具有能量守恒特性。但辛差分方法和有限元方法时域上仍然存在相位误差,使得计算的精度不是很理想。提出极小化相位误差加权间断有限元辛方法（WDG-PF）,该方法是辛方法,同时,对Hamilton系统的求解具有极小的相位误差。数值显示该方法可以保证Hamilton系统的能量守恒性。WDG-PF方法解决了时间有限元方法（TFE）存在的相位漂移现象,同时指出间断有限元方法可以通过加权处理达到保辛要求。WDG-PF方法相较于针对相位误差设计的计算格式分数步对称辛算法（FSJS）、辛Runge-Kutta-Nystrom（RKN）格式以及辛分块Runge-Kutta（SPRK）等方法,WDG-PF显著地减少相位误差,和显著提高Hamilton系统能量精度的优点。相位误差和能量误差几乎达到计算机精度。同时单元内部具有超收敛现象。特别针对高低混频Hamilton系统,传统方法很难在固定的步长下同时实现对高频和低频信号的精确仿真,WDG-PF方法则可以在大步长下同时实现对低频信号和高频信号的高精度仿真。数值显示,WDG-PF方法切实有效。      

Morphing wing flaps for large civil aircraft: Evolution of a smart technology across the Clean Sky program

Morphing wing structures are widely considered among the most promising technologies for the improvement of aerodynamic performances in large civil aircraft. The controlled adaptation of the wing shape to external operative conditions naturally enables the maximization of aircraft aerodynamic efficiency, with positive fallouts on the amount of fuel burned and pollutant emissions. The benefits brought by morphing wings at aircraft level are accompanied by the criticalities of the enabling technologies, mainly involving weight penalties, overconsumption of electrical power, and safety issues. The attempt to solve such criticalities passes through the development of novel design approaches, ensuring the consolidation of reliable structural solutions that are adequately mature for certification and in-flight operations. In this work, the development phases of a multimodal camber morphing wing flap, tailored for large civil aircraft applications, are outlined with specific reference to the activities addressed by the author in the framework of the Clean Sky program.The flap is morphed according to target shapes depending on aircraft flight conditions and defined to enhance high-lift performances during takeoff and landing, as well as wing aerodynamic efficiency during cruise. An innovative system based on finger-like robotic ribs driven by electromechanical actuators is proposed as morphing-enabling technology; the maturation process of the device is then traced from the proof of concept to the consolidation of a true-scale demonstrator for pre-flight ground validation tests. A step-by-step approach involving the design and testing of intermediate demonstrators is then carried out to show the compliance of the adaptive system with industrial standards and safety requirements. The technical issues encountered during the development of each intermediate demonstrator are critically analyzed, and justifications are provided for all the adopted engineering solutions. Finally, the layout of the true-scale demonstrator is presented, with emphasis on the architectural strengths, enabling the forthcoming validation in real operative conditions.     

基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计

针对一类受扰非线性动态系统的执行器故障估计问题,提出一种未知输入观测器来实现故障估计。首先,通过坐标变换将原系统转化为合适的形式;其次,采用线性矩阵不等式与Lyapunov泛函分别设计H_∞输出反馈控制器和未知输入观测器,在此基础上实现对系统中执行器故障的渐近估计;最后,通过机械臂系统仿真分析并验证了所提方法的有效性。与已有方法相比,所提方法不要求故障可导,也不要求故障或干扰上界已知,因此易于在工程实际中实现对非线性系统执行器故障的估计。     

储能钠硫电池保温层优化设计

为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题,利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型,采用有限元分析软件ANSYS进行实体建模与数值模拟,分析不同性能保温材料对实际性能的影响,并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案.结果表明,优化方案满足了保温结构设计的需求;通过应用新型保温材料使保温结构厚度缩减了37.5%,从而减小了整体体积与重量;总结出根据材料属性与热阻安排保温材料布局的思路,保证了各保温材料在工作条件下的安全可靠.这对未来钠硫电池以及其他装置的保温结构设计与优化提供了技术参考.     

一类非理想切换系统的H∞控制器设计

针对实际物理过程中普遍存在的动力学切换现象,提出一类具有平滑切换过程的非理想切换系统模型,并研究其鲁棒H_∞切换控制器设计方法.基于平均驻留时间方法与积分不等式理论,得到保证非理想切换系统渐近稳定且满足给定L₂增益的充分条件.在此基础上,以线性矩阵不等式形式给出H_∞切换控制器的设计准则.所提非理想切换系统较之理想切换系统更具一般性,故所得控制方法同样适用于理想切换系统.变体飞行器跟踪控制的应用实例表明,基于设计方法得到的控制器在保证系统稳定性与跟踪性能的同时,对系统参数摄动具有较强的鲁棒性.     

Earth observation with MEO transmitters and UAS receivers: A potential utilization of Galileo constellation

Remote sensing application of Galileo upcoming constellation in the field of civil security is preliminarily analyzed, defining low resolution (25 m) and high resolution (7.5 m) working modes for a bistatic Synthetic Aperture Radar system utilizing Galileo satellites as transmitters and Unmanned Aerial Systems as receivers. Simulations offshore Somali coast and in a South Mediterranean Sea region showed that both low and high resolution acquisitions are feasible. For the low resolution mode a probability of successful image formation no matter the azimuth position of the receiving UAS has been estimated at nearly 100%. Whereas, for the high resolution mode it decreases to about 90%, which, if deemed unsatisfactory for the application, leads to the need for UAS to adapt its route to the actual Galileo satellite coverage.     

临近空间飞行器总体设计对固体发动机特性需求分析

从内弹道性能、气动防热、绝热结构设计和后效推力预示等方面研究了临近空间飞行器总体设计对固体发动机的需求。内弹道性能方面,在总冲一定的情况下,发动机采用“长时间小推力”的工作模式、“前高后低”的推力曲线形式,对提高分离点高度和关机点速度、减小分离点动压有利;气动防热方面,临近空间飞行器发动机外壁热环境远比传统弹道式严酷,需要采取相应的防热措施;绝热结构设计方面,分析了过载条件下燃烧室中粒子的受力情况、粒子沉积分布位置以及对绝热结构的影响,提出了过载条件下发动机绝热裕度设计校核的需求;后效推力预示方面,发动机下降段高空推力的预示精度对分离安全性及分离时序的设计有着非常重要的作用,需要提高后效推力预示的准确性,以满足分离设计的要求。文章研究总结的方法、规律和结论,对临近空间飞行器固体发动机的设计具有重要的参考意义。     

基于损伤的HTPB推进剂／衬层界面内聚法则构建

为提高丁羟（ HTPB）推进剂／衬层界面数值仿真结果的准确性,首先改进了单搭接试件,通过剪切实验获取界面断裂参数,而后分别采用双线型模型和指数型模型对试件进行数值研究,进行影响分析,并在此基础上建立了一种基于损伤变量的自定义内聚力模型,使模型具有了明确的物理含义。结果表明,改进的单搭接试件能够测定柔韧粘接件的II型断裂参数;II型界面断裂时,内聚力曲线形式与实验曲线形式一致;该基于损伤的内聚力模型能够比双线性模型和指数型模型更准确地反映HTPB推进剂／衬层界面的II型断裂性质。     

ARINC 653分区实时系统的主时间框架设计

综合模块化航空电子系统中的ARINC 653标准规定系统采用分区内调度和分区间调度双层调度机制。根据标准,分区内的调度由分区设计者指定,分区之间则按照静态的主时间框架进行调度。如何基于多个分区应用设计用于分区间调度的主时间框架是系统集成阶段需要解决的问题。首先利用可调度分析导出了分区的有界延迟模型参数,进一步将该参数转化为分区的调度参数用于分区间调度。然后进行分区间调度生成主时间框架,提出了最少窗口数目匹配-最佳匹配（MFBF）算法用于减少分区窗口的切换次数。提出的从分区参数推导到分区间调度流程能够基于若干分区应用生成ARINC 653系统的主时间框架。实验结果表明:时间窗口优化算法能有效减少分区窗口切换次数。