尚逸帆，康志宇，张庆展，杨东春

美国和苏联现有的舱外载人机动装置（MannedManeuveringUnit,MMU）推进系统设计均采用两套独立系统互为备份的方式,主系统故障后可以启动备用系统,但备用系统故障则无应对方案,因此制约航天员的安全性和舱外活动能力。文章在常规主备份推进模式基础上提出了应急推进模式,备份推进器发生故障后,根据失效发动机组相对位置关系采用不同应急策略,剩余有效推进器通过联合控制的方式保证航天员六自由度控制。经过可行性分析和仿真计算,证明了应急模式下MMU推进能力有一定降低,但能够为航天员返回提供动力,应急推进模式具有可行性。     

平面遮挡分析法及其在航天器气动力矩分析中的应用

针对空间站等复杂构型航天器迎流面积和气动力矩的快速分析问题,提出一种平面遮挡分析法。该方法在与迎流垂直的方向上,选定一个二维投影平面进行航天器组成单元的划分和二维外形信息的定义;通过标志符、差值函数及相关的单元外形边界搜索规则定义和操作,实现迎流面积和遮挡面积的计算。平面遮挡分析法减少了遮挡分析所需使用的航天器外形信息维度,可以提高遮挡分析的效率。然后给出基于该平面遮挡分析法对迎流面积和压心位置进行计算的数学模型,对使用的气动力矩分析模型进行说明。以一个非对称构型的空间站为例,对相应的迎流面积和气动力矩进行仿真计算和对比验证。结果表明,平面遮挡分析法具有较为明显的计算时间优势,同时具备较高的计算精度。     

机翼-机身-短舱-挂架外形气动优化设计方法

采用基于径向基函数的无限插值方法进行了复杂外形的动网格生成,并针对其存在的可能导致壁面附近出现负体积与网格质量下降的问题,提出对不与物面直接相连的边的位移采用径向基函数插值,对与物面相连的边的位移进行线性插值获得位移量的方法解决该问题.采用无限插值方法建立了一种简单有效的物面相贯线处理方法.利用离散共轭方法计算目标函数梯度,对DLR-F6 机翼-机身-短舱-挂架外形的机翼和短舱进行了几何外形参数化与气动外形优化设计.结果表明:考虑短舱安装方式的优化设计较不考虑短舱安装方式的优化设计可降低大约0.0001的阻力系数.通过全机优化设计,将全机阻力系数降低了0.00153.      

斜拉翼结构刚度分布与重量特性

多学科优化设计的研究结果表明,斜拉翼在不增加悬臂翼结构重量的情况下能显著提高展弦比和降低诱导阻力,使得斜拉翼飞机整体性能明显优于悬臂翼设计.但这些研究没有对支撑结构与主翼之间采用何种联接型式给出相应的讨论,也未对机翼刚度布局情况给出相应参考,不利于飞机总体布局方案的选择.本文从力法入手,用四板模型简化斜拉翼结构剖面,给出常见斜拉翼和其支撑结构的刚度布局和联接形式以及结构重量遗传算法寻优的相关结果.结果表明,以铰链方式联接支撑结构与联接段结构的斜拉翼结构布局方式有最好的重量特性.     

智能优化算法在飞机总体设计中的应用

飞机总体设计在飞机的整个设计过程中是非常关键的步骤,在这个过程中,飞机的总体布局和许多重要参数都被确定下来。但是,飞机的总体设计又是一个复杂和艰难的过程,因为涉及到大型系统的有约束的非线性优化问题,用传统优化方法很难得到满意的结果。本文采用了近年来发展很快的几种智能优化算法--遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、Hopfield神经网络算法解决飞机总体设计优化问题,阐述了各算法的关键步骤及运行过程,并编写了相应的计算程序。通过对各种算法的结果进行比较和讨论,最后的结论是：模拟退火算法最适合求解这类复杂的约束非线性优化问题,禁忌搜索算法和遗传算法次之,Hopfield神经网络算法效果最差,容易陷入局部最优解。     

大型运输机机翼气动外形设计研究

以大型运输机机翼为研究对象,针对其机翼高低速气动外形设计目标,采用改进的Takanashi正反迭代、余量修正方法,进行超临界翼型的大型运输机机翼气动外形反设计.采用优化方法进行三维机翼低速增升装置的优化设计,通过将气动外形优化设计方法与反设计方法相结合以及分布式并行计算等手段来提高设计效率.结果表明,该设计方法是合理可行的.     

临近空间浮升一体化飞行器气动布局研究

以数值模拟为手段,对临近空间飞行器典型的气动布局进行了大量的计算和评估分析,对不同的气动外形进行了多方面的对比研究.结果表明,在不同的速度范围内,各气动布局外形具有不同的气动和浮升特性,不同飞行速度的飞行器在选择气动布局形式方面存在很大差别,为浮升一体飞行器的选型设计提供了一种指导.     

圆轨道航天器八面体编队构型轨道动力学分析

提出一个全新的八面体航天器编队构型,该构型体现出当前编队飞行多种轨道构型的特征,同时也适于作为空间演示试验的编队飞行模式。八面体编队构型的设计思路是基于C-W方程,轨道平面内沿航向编队构型可利用轨道动力学自然保持,正上方或正下方编队构型则需要依靠平面内控制来实现,垂直轨道平面的编队构型需要施加法向控制来实现。对基于C-W方程的悬停动力学模型进行了精度分析,最后以低轨道航天器的八面体编队构型为例进行了数学仿真验证。     

基于数据挖掘的飞行器气动布局设计知识提取

为了更深入地理解飞行器气动布局设计优化中多目标/多设计变量间的影响关系,提高优化模型的科学性及优化效率,对基于数据挖掘技术的飞行器气动布局隐含设计知识提取问题开展了探索研究。以高升阻比滑翔飞行器布局设计优化问题为例,基于当前比较有代表性的方差分析、等度量映射、决策树、自组织映射4类机器学习算法对气动布局优化设计中产生的中间数据进行了挖掘分析。对不同方法得到的升阻比、横/侧向稳定性及容积率4种目标性能间的权衡关系,目标性能与设计变量间的敏感性关系及产生较优布局外形的设计变量取值规则进行了综合对比分析,凝练形成了适用于该类飞行器的设计知识,同时对4种方法的特点及适用性进行了总结分析,给出了相关结论。     

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。