高速飞行器失控成因及操稳判据发展综述

首先介绍了高速飞行器设计所面临的静稳定裕度、航向操纵性、三通道耦合、安全边界等问题,进一步梳理了高速飞行器的失控成因,包括飞行环境、飞行姿态、控制耦合、惯性耦合、动力学耦合等因素,在此基础上,回顾了一系列适用于飞行器设计的典型抗失控判据,如横航向稳定性参数、动态航向稳定性参数、横/航向操纵偏离参数、Weissman组合判据、横向稳定性特征参数等.这些参数或判据不仅可以在设计初期预测气动布局的好坏及其对操稳特性的影响,帮助工程师改进气动布局以使飞行器获得最佳的性能,还可用来预测飞行器在当前气动布局下所需要的控制资源以帮助飞行器合理应对耦合的影响,最后在设计完成后还可用这些判据分析飞行器飞行过程中的稳定性以及控制策略的合理性.      

高速面对称飞行器总体抗失控设计方法

高速面对称飞行器大空域、宽速域和大攻角变化范围的飞行特点,导致失稳模式多、稳定性差、通道耦合严重、姿控难度大等系列问题,为飞行器的总体设计带来了很大挑战.文章针对高速面对称飞行器抗失控设计难题,基于耦合稳定性与可控特性理论研究,综合考虑总体多专业设计约束,发展了飞行器总体抗失控设计方法.通过该方法,可以获得多专业参数对总体性能与稳定特性的影响规律,进而对飞行器的总体性能、稳定性与可控性进行综合优化设计.      

基于遗传算法的升力体外形优化设计

升力体由于低热流率再入物理特性和高效的内部容积利用率，是高超声速飞行器气动外形的一种典型布局.文章对升力体飞行器进行参数化数值建模，并提取其表征外形的参数作为设计变量，综合考虑飞行器再入过程中的气动力、气动热、容积利用率及稳定性等性能指标.运用多目标混合遗传算法对升力体进行了多变量、多约束下的气动外形优化设计，获得了再入飞行器外形的最优Pareto解.数值模拟结果表明，典型状态下最优Pareto解与CFD结果相差12%，验证了优化结果的准确性.      

无尾升力式飞行器Weissman判据图仿真

针对无尾升力式飞行器横航向气动耦合严重的问题,开展了Weissman判据在此类飞行器稳定性设计中的应用研究.采用调整布局的方法获得飞行器布局集,采用基于Newton理论的工程方法获得对应的气动数据集.运用飞行动力学仿真手段分析了飞行器在无控和副翼控制时的横航向飞行稳定性.结合仿真结果和Weissman判据分区规则获得飞行器Weissman判据图.研究表明,无尾升力式飞行器的关键设计点气动稳定性位于Weissman判据图的B区.文章的方法可用于再入机动飞行器的耦合稳定性设计.      

面对称高速飞行器横侧向耦合失控特性

针对面对称高速飞行器滚转-偏航通道间存在的运动耦合、典型气动耦合和控制耦合,建立了耦合动力学模型,推导了耦合模态的数学描述;提出了基于滚转偏航/稳定比和副翼滚转/偏航操纵比的耦合模态分析方法,分析了副翼操纵对偏航通道的耦合影响程度;针对控制耦合引起的非最小相位特性,提出了基于偏航稳定力矩导数、副翼-偏航耦合力矩导数以及方向舵产生偏航力矩导数的控制耦合偏离边界条件,根据偏航稳定力矩导数、副翼-偏航耦合力矩导数的相对位置关系,确定控制耦合偏离区域,并分析了副翼控制滚转时的耦合失控特性.最后对失控特性进行了仿真验证,结果表明了耦合特性分析方法的有效性.      

强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能

面对称飞行器具有强耦合、弱阻尼的特点,为实现其横航向模态的高效控制,对控制策略效能及高效控制策略选择判据进行了研究.通过建立稳定轴系下横航向耦合动力学模型,得到了模态特征简化表达式;分析了有效的模态控制策略,并推导了各控制策略的效能公式;通过对各控制策略效能的对比分析得到了耦合特征下的高效模态控制策略选择判据;最后通过根轨迹分析、模态特性评估与6自由度仿真进行验证,结果表明理论公式与分析仿真结果一致.高效模态控制策略选择判据能够准确表征不同控制策略的效能关系,可用于指导强耦合面对称飞行器横航向模态控制方案设计.      

非惯性弹道飞行器气动布局设计实践

从阻力主导惯性再入到升力主导机动再入是无动力高超声速飞行器的主要发展方向, 文章讨论了任务使命动力配置飞行模式及总体规模限制下的布局设计原则, 研究了不同构型升阻效率及升力载荷系数与模线形状横截面形状及容积利用率分段装填容积间的关系, 探讨了包括拉起/下压滑翔弹跳/滑翔等射面机动与Z字螺旋锥形空间机动等飞行模式与匹配的气动操纵面设计质心布置压心/静稳定裕度纵横向静动稳定性等, 从热安全角度提出了总体/气动/防热/结构/弹道/控制等多物理场高度耦合下的飞行器热力气动布局多学科设计优化, 结合非惯性弹道飞行器气动布局设计问题, 给出了满足分段容积要求防热要求及操稳要求的飞行器气动构型设计优化实例.      

突起物及其干扰区热环境影响范围分析

针对升力体外形飞行器局部构件干扰流动及热环境影响,采用理论分析、数值模拟、工程半经验模型及实验数据分析相结合,研究高速流动条件下平板表面突起物干扰区气动加热影响.对比分析不同外形特征下突起物对流场结构的影响表明:干扰区热环境分布与流动结构直接相关,压力比拟方法可在局部区域可靠预测热流分布;高台类突起物干扰区范围和热环境敏感依赖于其有效宽度,而低台类突起物干扰区范围和热环境则主要依赖于高度变化;方形头构件与圆形头构件对称面干扰区范围相差1.414倍(湍流/层流均成立);后掠角存在对干扰区范围影响显著,给出后掠角对干扰区的影响关系式.研究结果可方便地用于飞行器热环境预测中,为其提供技术支撑.     

CFD/CSD耦合飞行器多学科优化设计新方法

文章以飞行器巡航外形为设计对象, 构建了一种新的飞行器的气动和结构特性评估方法, 即结构模型反迭代方法.该方法较传统的松耦合静气动弹性方法效率提高了4倍以上.以此为基础建立了一种新的飞行器气动/结构耦合多学科优化设计框架, 将优化效率提高4倍以上.采用数值求解N-S方程和结构有限元方程方法作为气动和结构学科的分析工具, 保证了设计结果的可信性.算例表明以巡航外形作为设计对象能够获得与传统方法一致的飞行器气动与结构特性, 以此为基础开展的无人机气动外形优化设计也获得了良好的设计结果.      

组合式高超声速飞行器布局设计与优化分析

针对高超声速飞行器气动布局设计难点,文章提出了基于多个基准流场的多部件组合设计方法.以锥导乘波体为基准,采用分段接序、多片组合的高超声速可调参数的气动布局设计,将飞行器分解为前体、机翼和中心体设计.前体和机翼以乘波体为设计思路,中心体构型根据装载需求设计,从而达到飞行器在边缘能够满足压力封闭,有效容积集中在中心体附近的总体布局思路,使得飞行器各部件功能清晰化.最终实现具有"乘波特性"的高超声速巡航飞行器参数可调的布局设计.文中对比了组合布局与传统乘波体的差异,在前体不变的情况下,研究了中心体长度、长宽比和长厚比对飞行器气动性能的影响.采用自由变形技术（free-form deformation,FFD）实现了高超声速飞行器的参数化和优化设计流程.结果表明组合布局具有更高的容积效率,可实现多参数化调节,具有良好的乘波特性,可为未来提高高超声速飞行器升阻比和满足应用要求提供方案参考.      

吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化内外流非定常耦合方法

基于吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的气动布局设计方式,文章提出了一种内外流一体化流场的耦合求解方法,其中燃烧室内流场采用考虑有限速率化学反应动力学模型的一维非稳态方法求解,进气道和尾喷管外流场采用二维CFD软件计算,进气道与燃烧室在耦合界面处通过一维平均方法实现静温、静压和Mach数等参数传递.并分别以日本国家航空与航天实验室（NAL）的氢燃料燃烧室模型作为内流场验证算例,以某典型高超声速飞行器一体化模型作为内外耦合流场验证算例.研究结果表明:有限速率化学反应准一维方法能较为准确地模拟燃烧室内燃烧流场,提出的内外流场耦合方法能够有效地计算出内外流耦合效应,计算后体压力分布与理论值较接近.该方法可为超燃冲压发动机的性能快速分析和吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的初步分析设计提供重要参考.      

A high-efficiency aerothermoelastic analysis method

In this paper,a high-efficiency aerothermoelastic analysis method based on unified hypersonic lifting surface theory is established.The method adopts a two-way coupling form that couples the structure,aerodynamic force,and aerodynamic thermo and heat conduction.The aerodynamic force is first calculated based on unified hypersonic lifting surface theory,and then the Eckert reference temperature method is used to solve the temperature field,where the transient heat conduction is solved using Fourier’s law,and the modal method is used for the aeroelastic correction.Finally,flutter is analyzed based on the p-k method.The aerothermoelastic behavior of a typical hypersonic low-aspect ratio wing is then analyzed,and the results indicate the following:(1)the combined effects of the aerodynamic load and thermal load both deform the wing,which would increase if the flexibility,size,and flight time of the hypersonic aircraft increase;(2)the effect of heat accumulation should be noted,and therefore,the trajectory parameters should be considered in the design of hypersonic flight vehicles to avoid hazardous conditions,such as flutter.     

基于Kriging代理模型的飞行器结构刚度气动优化设计

大飞机具有轻质大柔性特点,使得气动/结构耦合作用增强,在设计过程中需要考虑这种耦合效应,直接调用CSD/CFD方法计算周期长,无法满足工程需要.代理模型方法由于能显著提高工程优化设计的效率,已广泛应用于飞行器气动外形优化设计中.采用Kriging方法建立代理模型,通过求解EI函数最大值得到需添加的样本点以更新代理模型,提高代理模型的拟合精度,结合改进的粒子群最优化方法对大飞机的结构刚度进行了优化设计.结果表明,该优化方法能够处理复杂目标的全局优化问题,在保证升力系数及纵向稳定性能不恶化的前提下,降低飞机巡航状态的飞行阻力.      

The stability analysis of rolling motion of hypersonic vehicles and its validations

The stability of the rolling motion of near space hypersonic vehicles with rudder control is studied using method of qualitative analysis of nonlinear differential equations, and the stability criteria of the deflected rolling motions are improved. The outcomes can serve as the basis for further study regarding the influence of pitching and lateral motion on the stability of rolling motion. To validate the theoretical results, numerical simulations were done for the rolling motion of two hypersonic vehicles with typical configurations. Also, wind tunnel experiments for four aircraft models with typical configurations have been done. The results show that: 1) there exist two dynamic patterns of the rolling motion under statically stable condition. The first one is point attractor, for which the motion of aircraft returns to the original state. The second is periodic attractor, for which the aircraft rolls periodically. 2) Under statically unstable condition, there exist three dynamic patterns of rolling motion, namely, the point attractor, periodic attractor around deflected state of rolling motion, and double periodic attractors or chaotic attractors.     

Synchronization of spatiotemporal chaos in a class of complex dynamical networks

This paper studies the synchronization of complex dynamical networks constructed by spatiotemporal chaotic systems with unknown parameters. The state variables in the systems with uncertain parameters are used to construct the parameter recognizers, and the unknown parameters are identified. Uncertain spatiotemporal chaotic systems are taken as the nodes of complex dynamical networks, connection among the nodes of all the spatiotemporal chaotic systems is of nonlinear coupling. The structure of the coupling functions between the connected nodes and the control gain are obtained based on Lyapunov stability theory. It is seen that stable chaos synchronization exists in the whole network when the control gain is in a certain range. The Gray--Scott models which have spatiotemporal chaotic behaviour are taken as examples for simulation and the results show that the method is very effective.     

The stability of rolling motion of hypersonic vehicles with slender configuration under pitching maneuvering

The configurations of near space hypersonic flying vehicles are considerably different from those of conventional aircrafts.Their configurations are relatively slender;hence their moment of inertia around the longitudinal axis is much smaller than those around the other two axes,resulting in strong coupling of rotations around the three axes.Thus,the stability analysis of rolling motion for such flying vehicles is more complicated than those for conventional aircrafts,and there is no available result of stability analysis which can readily be applied to such cases.This paper is mainly concerned with the stated problem.Considering the practical situation,our investigation is targeted a slightly simpler problem,namely the rolling stability of flying vehicle under known pitching motion.The stability criterion of rolling motion is obtained with and without lateral motions.We also conducted numerical simulation for the pitching-rolling coupled motions of flying vehicles by solving Navier-Stokes equations coupled with dynamic equations of flight.The results of simulation agree well with those of theoretical analysis and experiments.     

参数不确定永磁同步电机混沌的模糊控制

通过Takagi-Sugen控制技术,建立了参数不确定永磁同步电机的Takagi-Sugen模糊控制模型,然后利用矩阵分析和Lyapunov稳定性理论,得到了参数不确定永磁同步电机渐进稳定的充分条件,最后通过实例证实了结果的正确性,相比传统的模糊控制方法,基于Takagi-Sugen模型的模糊控制方法具有一定的优越性. 关键词： 混沌控制 Takagi-Sugen模型 模糊控制 永磁同步电机