基于高斯伪谱法的高超声速飞行器再入制导研究

针对高超声速飞行器再入标准轨迹制导方法中存在的制导准备周期长、弹上需存储标准轨迹参数、制导鲁棒性较差等缺点,本文提出了一种基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案。其中,在线高斯伪谱法采用纵/侧向、全程一体化的制导算法思路,从而实现了对高超声速飞行器再入弹道的全程预测-校正。同时结合滚动时域控制技术从工程上实现了高超声速飞行器再入制导中对开环制导信息的闭环应用,完成了飞行器预测-校正制导方案。通过对高超声速飞行器再入制导过程进行仿真分析,其结果表明应用本文设计的基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案,飞行器再入过程中具有良好的制导性能。     

面向高超声速飞行器的激波智能预测方法

高超声速飞行器激波位置的准确预测能够有效提升数值模拟的精度和效率。一方面, 对高超声速飞行器激波附近网格进行正交和加密处理, 可有效提升数值计算精度; 另一方面, 使用高超声速飞行器激波位置对计算网格进行修正, 能够加速CFD计算收敛过程。提出了一种基于机器学习的高超声速飞行器激波智能预测方法, 对典型高超声速飞行器外形进行激波位置的高效准确预测。首先, 针对典型高超声速飞行器外形和典型飞行状态, 使用数值模拟方法获得收敛的流场, 并采用基于Mach数等值线的激波提取方法, 从流场中判别激波面并提取构成激波面的关键点位置, 形成训练数据; 然后采用有监督学习算法, 学习关键点位置, 并利用二次曲线沿流向拟合关键点形成初步的激波线族; 最后, 基于剖面压力云图, 构造基于投影压力图像的智能预测神经网络, 对初步形成的激波线族进行修正, 并获得三维激波面。大量的实验结果表明, 激波预测模型能够对高超声速飞行器激波位置做出准确预测, 预测的激波面与CFD数值计算结果中提取的激波面误差在10-4量级。      

高超声速进气道飞行器一体化设计技术的发展

对高超声速进气道与飞行器一体化设计技术和发展进行了研究,包含轴对称压缩、二维压缩、侧压以及内压缩进气道在高超声速飞行器上的典型布局设计方案.对高超声速可调进气道类型进行了概述,基于轴对称类型调节、二元平面类型调节以及三维内转调节进气道的典型案例给出了其各自的设计特点,并进一步对宽域飞行和组合动力飞行器采用的多通道可调节高超声速进气道研究进展进行了简述,最后分析了高超声速进气道设计须面对和解决的技术难题.      

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

磁流体加速和磁流体加速风洞

高超声速飞行器对于更高飞行速度的追求，给地面风洞设备模拟能力提出了新的要求，磁流体加速成为一个重要突破方向.文章介绍了国内外在磁流体加速基本原理以及磁流体加速技术应用于地面风洞试验方面的研究工作.基于磁流体（magneto-hydro-dynanic，MHD）加速的高超声速风洞设备可以模拟高超声速飞行器的试验条件，复现超高速的飞行环境，是突破超高速飞行器再入研究地面试验模拟能力的关键技术，在航空航天领域具有重要的研究意义和应用前景.      

临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状

临近空间高超声速飞行器具有速度快、突防能力强、杀伤力大等特点,是当今世界各军事强国新型武器的重点发展方向.其中,气动力和气动热是高超声速飞行器的两项重要指标,也是高超声速技术研究的重点内容.文章综述了国内外临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状,分析了研究的发展趋势,并分别从工程计算、数值仿真以及实验研究3个方面介绍了高超声速飞行器气动力及气动热的研究技术和方法.      

X43高超声速飞行器的飞行热走廊研究

建立飞行器的热走廊物理模型和求解方法对于设计飞行器防热结构、确定飞行轨道和优化气动外形等均有重要的工程应用价值,本文对X43高超声速飞行器的飞行热走廊的物理含义进行了分析,初步建立了飞行热走廊的物理模型,给出了该物理模型下飞行热走廊的控制方程和求解方法,通过对X43高超声速飞行器典型位置的飞行热走廊的计算,研究了高超声速飞行器的热走廊规律和特征,研究了防热材料的性能对飞行走廊的限制,明确了防热材料的关键防热参数,通过研究发现: (1)防热材料的发射系数越大,其对应的热走廊越宽阔,飞行轨道的选择余地也越大; (2)不同位置、不同流态对应的热走廊边界不同,推迟转捩发生可以增加热走廊区域,有利于防热.     

高超声速飞行器红外可探测性能研究

以高超声速乘波体为例,针对稀薄大气空间高超声速目标的红外可探测性能进行分析研究。采用工程算法计算了不同飞行条件下的飞行器驻点热流分布,由此得到其辐射平衡温度;采用小区间求和方法计算大气对红外辐射的传输衰减作用;考虑了目标与背景辐射强度差异、点目标成像的弥散现象对探测器作用距离的影响,建立了新的红外探测系统作用距离计算模型。仿真实验表明,弥散系数随着目标探测器间距离而变化;随着飞行器飞行速度的增加,系统对目标的探测距离增大,同时与长波波段相比,中短波波段时的探测距离更大。外场试验结果表明,与现有算法相比,本文方法具有较高精度。     

序贯径向基模型在气动热分析中的应用

针对高超声速飞行器气动热分析中采用CFD仿真计算耗费大,不符合概念设计阶段要求进行大量方案评估的问题,采取径向基近似模型代替高精度的CFD仿真模型,大大减少了高超声速飞行器气动热分析时的计算量。提出了一种新的序贯加点策略,将其应用于径向基近似建模过程中,提高了径向基近似模型的精度。将该近似模型应用于高超声速飞行器驻点气动热分析中,和普通径向基近似模型对比可知,本文提出的序贯径向基近似模型能够以较小的代价得到较高的精度,具有推广的价值。     

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

点火位置对激光等离子体减阻效能的影响

利用激光等离子体减小高超声速飞行器波阻是一种新概念减阻方式,点火位置是研究减阻效能的重要参数。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨力数值方法,在气流马赫数为6.5、飞行高度为30km条件下,计算了不同点火位置对减小高超声速飞行器波阻的影响。研究结果表明:利用激光等离子体可以有效地减小高超声速钝头体飞行器波阻;点火位置到驻点的距离与飞行器直径之比为2时,减阻效果最好,且数值模拟与理论计算结果吻合较好。     

一种新型的超燃冲压发动机闭式冷却循环

热防护技术是发展高超音速的关键技术之一.为了降低冷却用燃料需求,本文提出了基于闭式Brayton循环的超燃冲压发动机冷却循环,旨在提出一个缓解超燃冲压发动机热防护压力的新方法、新思路,同时可为高超音速飞行器提供足够的电力供应.文中介绍了冷却循环的组成和工作原理,定义了评价冷却循环性能的参数,在考虑系统内、外不可逆性的基础上,完成了系统的性能分析,分析表明该冷却循环可有效地节约冷却用燃料消耗,大幅提升超燃冲压发动机热防护系统性能.     

基于DGPS航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术研究

为了解决多旋翼无人机在飞行作业过程中受到环境磁干扰导致作业异常的问题,在使用DGPS进行差分定位的基础上,提出了一种基于航迹偏差的多旋翼无人机磁干扰检测技术。其基本原理是,当多旋翼无人机受到磁场干扰时,其飞行航迹会偏离预设航线,检测其航迹的偏离距离,通过与阈值比较,可以用来判断是否存在环境磁干扰。实验结果表明该方法可以有效检测环境磁场异常,在某些情况下比传统的磁航向角误差阈值检测方法可靠性更高,虚警率更小。综合使用航迹偏差检测方法和磁航向角误差检测方法,可有效（提高）环境磁场异常检测的准确度,降低虚警率。     

Relationship between the velocity of hypersonic vehicles and the transmission efficiency of radio waves

Analyzing the flow field distributions around a near-space blunt-cone vehicle at different flight speeds, we observe that, when the flight speed exceeds a certain threshold, the relationship between the flow field density and the vehicle speed presents a characteristic opposite to that at the flight condition of the speed lower than the threshold. On this basis, the Runge–Kutta method is applied to solve the ray equations in non-uniform plasma, in which the electron density at any computing point is obtained by the Lagrange interpolation based on the discrete data of the flow field. Then the EM wave attenuation in the sheath is determined by the subsection integral method combining with the electromagnetic theory. The numerical results also show that when the flight velocity is lower than the threshold, the energy transfer efficiency of the EM waves decreases with the increase of the vehicle velocity. However, when the flight speed is greater than the threshold, the energy transfer efficiency increases as the vehicle speed increases. This conclusion will be helpful to further understand the EM wave propagation characteristics for hypersonic vehicles, and to provide a reference for the channel selection of antennas.     

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件.本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得...     

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.     

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.