民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望

系统回顾了气动外形优化的主要环节,对优化体系中学科分析、参数化建模、网格重构技术、敏度分析、优化算法、代理模型、目标函数/约束处理等各个环节的进展,及气动综合优化面临的挑战、基础科学问题进行了总结。结合课题组在优化体系建设上开展的研究工作,针对民用飞机气动外形综合设计的需求,提炼了工程型号对优化体系构建的具体要求。并对今后的研究工作以及未来发展方向进行了展望与建议。通过文章系统整理论述,希望能够为气动数值优化设计研究人员提供一些有意义的建议和参考,促进设计空气动力学、以及多学科优化技术的发展。     

Drogue detection for autonomous aerial refueling based on convolutional neural networks

Drogue detection is a fundamental issue during the close docking phase of autonomous aerial refueling(AAR). To cope with this issue, a novel and effective method based on deep learning with convolutional neural networks(CNNs) is proposed. In order to ensure its robustness and wide application, a deep learning dataset of images was prepared by utilizing real data of ‘‘Probe and Drogue" aerial refueling, which contains diverse drogues in various environmental conditions without artificial features placed on the drogues. By employing deep learning ideas and graphics processing units(GPUs), a model for drogue detection using a Caffe deep learning framework with CNNs was designed to ensure the method's accuracy and real-time performance. Experiments were conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed method, and results based on real AAR data compare its performance to other methods, validating the accuracy, speed, and robustness of its drogue detection ability.     

空中加油问题的最优化研究

通过对空中加油在作战使用中的问题进行分析,针对受油机往返各加１次油的情况,给出了空中加油的数学模型,并采用跗算法对问题进行了优化计算,实际计算表明,所建模型具有良好的适应性,能够适合不同的作战环境和不同作战要求,采用跗优化算法研究空中加油问题,优化效率高、具有全局性,并易于计算机实现,所得的加油方案是合理的。     

空中加油对接过程的动力学建模与仿真

空中加油的成功与否主要依赖于加油锥套与受油插头的顺利对接,对对接过程中产生的动力学行为的研究是实现顺利对接的前提。利用多刚体系统动力学建立对接过程的动力学模型,求解出加油锥套与受油装置间的广义速度;并依据建立的接触动力学模型,得到局部接触点间的相对速度。基于非线性连续碰撞理论,提出对接过程中碰撞力的计算方法,并在机械系统动力学仿真软件ADAMS的环境下,构建加油锥套和受油装置的对接虚拟样机。通过对虚拟样机的动力学仿真,得到了对接过程中的碰撞力及速度响应曲线,同时,得出能够实现成功对接时各参数的具体范围。结果表明,制约对接成功的主要参数是初始相对速度、加油锥套的俯仰角和相对偏距。该研究对空中加油的对接和受油机的导航控制具有重要的意义。     

基于自适应联邦滤波的相对导航信息融合

针对基于GPS/MV组合导航方式的无人机空中加油问题,分析了对接阶段GPS及视觉传感器存在的条件约束。在建立导航传感器非线性相对位置测量模型的基础上,设计了基于扩展卡尔曼滤波的自适应联邦滤波器,并与集中式滤波进行了对比仿真。结果表明,提出的算法保证了部分传感器失效时导航数据输出的平稳性和容错性,滤波精度完全满足无人机空中加油相对导航系统要求。     

固定翼飞机空中受油方式研究

对固定翼飞机空中受油方式进行了全面的分类与总结,介绍了不同受油方式的基本原理,并进行了深入分析与比较.最后针对国内固定翼飞机的发展趋势,对其空中受油方式的发展方向给出了建议.     

空中受油装置降噪研究

为解决某型飞机加装固定式受油装置后引起的座舱噪声过大问题,通过空测摸清了飞行中噪声的变化规律,借助风洞试验等手段研究确定了噪声产生的机理,在此基础上提出了降噪改进措施,对受油管进行了修形改进设计.经试飞验证表明改进方案是成功的.      

对GEO卫星在轨加注的服务航天器组网方案优化

对地球静止轨道（GeosynchronousOrbit,GEO）卫星在轨加注燃料以延长其工作寿命蕴含着巨大的经济价值,而执行加注任务的服务航天器在轨组网方案直接影响在轨加注任务全局。文章以GEO卫星为在轨服务对象,开展了提供加注服务的航天器最优组网方案研究。提出了1个燃料存储站加N个加注飞行器的服务航天器体系架构,燃料存储站承载大量燃料,长期在轨稳定运行;加注飞行器机动运行,执行对GEO卫星加注任务,当加注飞行器燃料不足时,返回燃料存储站获取燃料。燃料存储站的质量、运行轨道,加注飞行器的数目、质量与运行轨道、对GEO卫星提供加注的加注飞行器任务分配等是组网方案研究的重点,建立了以对GEO卫星加注任务的响应时间短、服务系统成本低为互斥评价准则的服务航天器组网方案的多目标优化设计数学模型,分析了组网方案优化问题的求解方法及流程,采用多目标粒子群算法对服务航天器组网方案进行了优化设计,通过分析一组非支配优化设计结果对于2个互斥评价准则的平衡性,提出了1个燃料存储站加4～6个加注飞行器的服务航天器最优组网方案。     

推进剂管路接头内腔残液在轨吹除过程研究

为研究推进剂在轨加注后残留在管路接头内腔的情况,使用气液两相非稳态模型计算了吹除过程中管路接头内腔气液两相流场变化情况.吹除初始时刻直管路内流场压力出现小幅震荡,管路接头内腔中存在漩涡状流场将残液卷吸入直管路中,是残液得以吹出的主要机理.结果表明管路接头内腔中的绝大部分液体可以被吹除出去,残液吹除效果良好.     

基于代理模型的高效全局低音爆优化设计方法

研究发展高效实用的低音爆优化设计方法,对于新一代低音爆超声速客机的研制具有重要的理论意义和应用价值。目前国内外发展的低音爆优化方法主要包括遗传算法（GA）和基于Adjoint的梯度优化。遗传算法虽然具有较强的全局优化能力,但其优化效率较低,无法很好满足实际应用的需要;而梯度优化虽然优化效率高,但易陷入局部最优。将最新发展的代理优化算法与音爆预测方法相结合,发展了一种具有全局优化能力的高效低音爆优化设计方法。首先,概述了所采用的线性音爆预测方法,并用NASA超声速圆锥体模型进行验证,表明其计算效率高、预测精度可满足飞行器初步设计的需要。其次,对所采用的代理优化（SBO）方法进行了概述,包括试验设计、代理模型建模、优化加点准则和收敛标准等。再次,运用所发展的方法开展了NASA多段圆锥体模型的低音爆优化设计算例研究,并与遗传算法和梯度优化的结果进行了比较,表明其优化效率比遗传算法提高了2个量级以上,且优化结果优于梯度方法。最后,将所发展的方法应用于AIAA音爆预测大会提供的翼身组合体外形（69°后掠三角翼）的低音爆优化设计,将远场音爆N型波峰值减少了27.4%,表明所发展的方法在复杂外形低音爆优化设计中具有很好的应用潜力。