考虑气动参数扰动的再入轨迹快速优化方法

针对传统再入轨迹优化方法收敛速度慢、对初值敏感程度高等的局限性,提出了一种基于序列凸优化的再入轨迹快速求解方法.该方法以倾侧角的变化率作为控制量,改进了现有凸化策略,考虑到抑制数值优化过程中由于数值离散方式带来的锯齿化现象,采用 B 样条曲线离散控制量,同时为避免算法在初始猜想值附近出现伪不可行的问题,增加额外虚拟控制量,通过一种"回溯直线"搜索的方法,提高算法的稳定性、快速性和寻优结果的光滑性.为研究飞行器再入过程中的气动参数扰动问题,采用采样点少、易于实现,计算效率高的广义混沌多项式理论研究方法,建立了基于广义混沌多项式和凸优化相结合的再入轨迹鲁棒优化模型,该模型在优化过程中考虑气动参数扰动对寻优结果的影响作用,避免了传统轨迹与制导律的复杂迭代设计环节,可有效降低优化轨迹对气动参数扰动的敏感程度,在气动参数不确定条件的干扰下,依然可以保证飞行器顺利安全的完成飞行任务.最后,以美国某可重复使用飞行器的再入任务为例,验证了基于序列凸优化的再入轨迹优化方法的快速性以及鲁棒优化模型对气动参数扰动的抗干扰性能力,表明了该方法具有一定的工程应用性.      

基于雷达测量数据的弹箭扰动源最优估计

为精确计算舰载武器的飞行状态参数,以弹体纵向运动过程为研究对象,推导了包含误差干扰源在内的纵向扰动运动学方程,利用"系数冻结法"及拉普拉斯变换得到解析解,拟合出弹体被动段纵向运动的气动参数公式,采用三坐标雷达测量量作为系统量测方程,从而对气动参数误差干扰源进行最优估计。计算结果表明:该算法可以使俯仰操纵力矩系数导数误差的精度稳定在±0.007(°)~(-1)范围内,阻力系数误差的精度趋于±0.025之间;升力系数误差基本稳定在±0.12之间;俯仰力矩系数对攻角的导数偏差精度稳定在±0.011(°)~(-1)之间;俯仰阻尼力矩系数误差的精度收敛于±0.009(°)~(-1)之间,且算法收敛速度快,可为重构高精度的弹道参数提供支撑。     

基于遗传算法的飞机气动优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型，并把它与通过工程估算的气动分析方法相结合，进行飞机气动形的单点和多点优化设计。 优化设计中，设计变量取机为机翼、机身和尾翼的外形及三者之间的相对位置，优化目标是使飞机在跨音速和超音速飞行状态下获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的，可以用来具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计简

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.     

基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.      

Low-thrust trajectory optimization for multiple target bodies tour mission

Spacecraft science missions to planets or asteroids have historically visited only one or several celestial bodies per mission. The research goal of this paper is to create a trajectory design algorithm that generates trajectory allowing a spacecraft to visit a significant number of asteroids during a single mission. For the problem of global trajectory optimization, even with recent advances in low-thrust trajectory optimization, a full enumeration of this problem is not possible. This work presents an algorithm to traverse the searching space in a practical fashion and generate solutions. The flight sequence is determined in ballistic scenario, and a differential evolution method is used with constructing a three-impulse transfer problem, then the local optimization is implemented with low-thrust propulsion on the basis of the solutions of impulsive trajectories. The proposed method enables trajectory design for multiple asteroids tour by using available low thrust propulsion technology within fuel and time duration constraints.     

Robust airfoil optimization based on improved particle swarm optimization method

A robust airfoil optimization platform is constructed based on the modified particle swarm optimization method (i.e., the second-order oscillating particle swarm method), which consists of an efficient optimization algorithm, a precise aerodynamic analysis program, a high accuracy surrogate model, and a classical airfoil parametric method. There are two improvements for the modified particle swarm method compared with the standard particle swarm method. First, the particle velocity is represented by the combination of the particle position and the variation of position, which makes the particle swarm algorithm a second-order precision method with respect to the particle position. Second, for the sake of adding diversity to the swarm and enlarging the parameter searching domain to improve the global convergence performance of the algorithm, an oscillating term is introduced to the update formula of the particle velocity. At last, taking two airfoils as examples, the aerodynamic shapes are optimized on this optimization platform. It is shown from the optimization results that the aerodynamic characteristic of the airfoils is greatly improved in a broad design range.     

基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法

多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一.然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足,缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性,难以广泛应用.文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型,在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时,建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法.在发展的方法中,提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法,使代理优化算法效率进一步提高.为了验证发展方法的全面表现,将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中,并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较.结果表明,发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高,结果更好也更加可靠,并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求,证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.     

高压捕获翼前缘型线优化和分析

为分析翼前缘形状变化对高压捕获翼构型气动性能的影响,基于一种锥体组合捕获翼概念构型,采用幂次函数和余弦函数组合形式对翼前缘型线进行了参数化设计,在比较了多项式和径向基函数两种代理模型的拟合精度基础上,以飞行马赫数7,飞行攻角0° 为计算条件,结合使用均匀实验设计方法、计算流体力学、径向基函数代理模型方法和遗传算法,选择升阻比最大化为目标开展了数值优化,最后基于优化结果进行了单参数的灵敏度分析. 优化结果表明,相对于基准外形而言,优化后构型升力系数增大了约8.1%,阻力系数减小了约12.2%,升阻比提高了约23.4%. 此外,灵敏度分析结果表明升阻比与5 个设计参数均呈非线性关系,其中展向角度对升阻比影响最大,其次为幂次曲线的比例参数,其余3 个参数对升阻比的影响相对较弱.      

基于反演滑模的机动飞行器横向回路控制设计

针对再入机动飞行器模型的参数不确定性以及外界干扰对飞行器控制性能的影响,基于反演控制和滑模控制理论,结合飞行器的动态特性要求,设计了一种基于标称模型的再入机动飞行器横向回路姿态控制方案,并基于Lyapunov方法,给出了整个系统的稳定性证明。控制系统阶跃响应仿真结果表明:系统响应无超调,调节时间为0.6 s,稳态误差为1%,优于指标要求的超调量15%,调节时间1 s,稳态误差5%,证明所提方法对模型参数大范围摄动具有强鲁棒性,且在较大程度上提高了系统的动态性能,最终达到姿态指令的快速高精度跟踪效果。     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED TRAIN BASED ON RBF MESH DEFORMATION

基于局部型函数三维参数化方法、改进的蚁群算法和改进的克里金（Kriging）代理模型,开展了列车头型的三维气动减阻优化设计研究。为了避免复杂几何外形大变形情况下千万量级网格的重复生成,提高高速列车头型优化设计的效率,引入了缩减控制点的径向基函数网格变形技术。优化结果表明：径向基函数网格变形技术在不降低网格质量的情况下可以有效缩短网格变形的时间消耗,能够用于复杂几何外形的气动优化设计;在给定的设计空间内,控制鼻锥外形的6个关键设计参数对列车气动阻力的影响呈单调递增关系;优化后,在满足约束条件的情况下,简化外形列车的整车气动阻力减小5.41%,头尾车减阻效果明显,中间车气动阻力基本不变。     

基于近似技术的涡轮叶片气动优化设计

根据五次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模,采用N-S方程和湍流模型进行三维流场分析计算,以K-S函数法作为优化方法,利用近似技术加速循环优化速度,建立了一种基于近似技术的涡轮叶片的气动优化方法。将气动效率和总压比作为目标函数,对涡轮叶片进行多目标气动优化、形状优化。算例表明本文提出的涡轮叶片优化设计方法是有效的。     

基于气动特性翼型参数化方法的适用性研究

翼型的优化设计在飞机的研发生产过程中占据相当重要的地位,因为翼型的几何外形会直接影响到飞机的整体气动性能．合理选择恰当的翼型表达方式是翼型优化设计成功的关键之一,其中,参数化方法在近年来得到了广泛应用．针对翼型参数化方法,提出“几何鲁棒性”和“性能鲁棒性”作为评判方法优劣的重要参考标准．选取三种常用的翼型参数化方法--NURBS、CST和PARSEC方法,七种不同类型的翼型,采用四项指标作为系统的评判准则来研究各方法的拟合精度与多点扰动下的几何鲁棒性,并利用Foil Design软件计算气动性能的相关数据,研究各方法在多点扰动下的性能鲁棒性．经对比分析,这三种参数化方法对大部分翼型均具有良好的表达能力,且不同程度地体现了一定的几何鲁棒性与性能鲁棒性．     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

基于博弈论的鲁棒滤波器应用于GPS/INS组合系统的设计研究

考虑了组合导航系统中的不确定噪声问题；根据博弈理论与最优控制理论，提出一种能够在具有不确定噪声干扰中最小化滤波误差的极小极大值鲁棒滤波器。通过设计—种高动态的飞行轨迹进行仿真研究，发现在不确定噪声干扰下该算法具有比标准卡尔曼滤波器更高的精度。     

高超声速风洞短时气动力智能辨识算法研究

风洞测力试验是高超声速飞行器研发的重要环节,随着这项技术的发展,试验模型的大尺度化成为高超声速风洞试验的趋势.在几百毫秒的有效测试时间内,大尺度测力系统刚度减弱等问题会严重导致气动力辨识精度变差,试验模型大尺度化对短时脉冲燃烧风洞精确气动力辨识带来了挑战.对此本文提出了一种新的基于传统信号处理结合深度学习的智能气动力辨...     

基于反演高阶滑模的飞行器最优末制导律

针对传统最优末制导律鲁棒性能较弱,且对参数摄动及外扰敏感的不足,而滑模控制对扰动具有较强鲁棒性的优点,提出一种新的基于反演准连续高阶滑模的最优末制导律,其中反演控制能够有效保证系统全局稳定性,而准连续高阶滑模控制则用于消除扰动影响。为了去除抖振效果,引入自适应超螺旋算法在线更新控制参数以消除符号函数导致的高频抖振影响。仿真结果表明:飞行器在该末制导律导引下,弹目视线角速率快速收敛,从而保证飞行器有很高的命中精度;鲁棒性较强;能够较好的满足约束条件要求。     

APPLICATION OF VARIABLE-FIDELITY MODELS TO AERODYNAMIC OPTIMIZATION

For aerodynamic shape optimization, the approximation management framework (AMF) method is used to organize and manage the variable-fidelity models. The method can take full advantage of the low-fidelity, cheaper models to concentrate the main workload on the low-fidelity models in optimization iterative procedure. Furthermore, it can take high-fidelity, more expensive models to monitor the procedure to make the method globally convergent to a solution of high-fidelity problem. Finally, zero order variable-fidelity aerodynamic optimization management framework and search algorithm are demonstrated on an airfoil optimization of UAV with a flying wing. Compared to the original shape, the aerodynamic performance of the optimal shape is improved. The results show the method has good feasibility and applicability.     

涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究

涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应,显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性,具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力.但是,该设计方法的研究尚不完善,特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应,因此其高低速气动特性均有优化设计的空间.针对此问题,本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法,发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法.基于上述方法,针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究,获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析.结果表明,相较于初始构型,宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时,显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应,进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上,改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.     

Blended skip entry guidance for low-lifting lunar return vehicles

A skip entry guidance algorithm blending numerical predictor-corrector and nominal trajectory tracking is presented for lunar return vehicles.The guidance is decoupled into longitudinal and lateral channels.A piecewise bank-vs-energy magnitude profile and a sign profile are adopted in the skip phase.A magnitude parameter is used to adjust the predicted downrange,and a pseudo-crossrange at the beginning of the final phase is selected as the lateral control variable.Prediction biases of both channels are nullified by a false position iteration algorithm.An on-line estimation and modeling method is introduced to compensate for aerodynamic and atmospheric uncertainties.A nominal trajectory for the final phase is generated based on actual reenter conditions,and the obtained nominal trajectory is tracked by a linear feedback law.A lateral corridor is used to manage the lateral state.The proposed guidance algorithm is assessed using three-degree-of-freedom Monte Carlo analyses,and the results show a satisfactory and robust performance under highly stressful dispersions.