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.      

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.      

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.      

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.      

再入飞行器失稳的分叉理论分析与数值仿真验证

飞行器再入大气层时的姿态稳定性事关飞行安全, 是气动设计的关键问题之一.文章采用非线性自治动力系统分叉理论, 耦合求解非定常Navier-Stokes方程和俯仰运动方程, 研究了钝体和细长体两类航天飞行器再入过程单自由度俯仰运动失稳问题.研究表明, 航天飞行器再入时, 如果仅有1个配平攻角, 随Mach数降低, 其配平攻角处的俯仰姿态失稳一般对应于Hopf分叉, 并存在亚临界Hopf分叉和超临界Hopf分叉两种失稳形态; 如果再入时随着Mach数的降低, 其配平攻角由1个演化至多个(一般为3个), 其配平攻角处的俯仰姿态失稳形态将更为复杂, 可能发生鞍结点分叉形态的刚性失稳行为;随Mach数的进一步降低, 其俯仰运动还可能进一步发生Hopf分叉和同宿分叉.      

低超声速飞行器瞬态热状况解耦算法

针对低超声速飞行器非稳态飞行条件下内外流固耦合一体化计算的复杂性,将飞行器外部流场的实时气动热转化为浮动的第三类边界条件进行解耦.以加速俯冲的超声速三维头锥体为例,分别采用浮动温差法和辐射平衡法提取表面对流换热系数进行解耦计算,并与直接耦合计算结果进行比较,验证两种解耦算法的可靠性.结果表明,将非稳态飞行过程离散为不同飞行状态点,通过提取对流换热系数解耦计算得到的不同状态点的锥体表面温度分布与直接耦合计算得到的结果吻合较好.两种解耦算法在计算效率方面均要优于耦合计算方法;在外界气动环境发生剧烈变化的过程中,最大相对误差均不超过2%.     

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.      

CFD在高速飞行器热气弹问题中的应用

采用气动力/热/结构耦合的方法对高速细长体飞行器结构热静气动弹性问题进行了研究.为保证耦合计算精度，达到准确预测热气动弹性特性的能力，气动力和气动热计算采用CFD数值模拟方法，热应力和热变形计算采用有限元方法并通过热考核试验验证.以该简单细长体飞行器模型为研究对象，对其热静气动弹性特性进行了计算与分析，计算结果表明:CFD/CSD耦合可准确模拟热气弹问题，且气动加热造成结构温升不均衡是结构变形的主导因素，力热耦合静气弹变形与单纯受力分析变形形式不同，对飞行器气动特性影响规律不同.准确预测飞行器热气动弹性特性对飞行器结构设计十分必要.      

一类耦合非线性振子同步混沌Hopf分岔及其电路仿真

对于一类同时存在扩散耦合和梯度耦合的非线性振子系统, 通过空间傅里叶变换，得到具有不同波矢的各运动模式的相互独立的运动方程. 计算各横截模的Lyapunov指数, 可在耦合参数平面上确定同步混沌的稳定区域. 在稳定区域边界, 一对共轭横截模式失稳，导致同步混沌的Hopf分岔. 对耦合Lorenz振子系统进行了数值模拟，并设计了耦合Lorenz振子系统的电路, 进行耦合振子系统同步混沌Hopf分岔的电路仿真实验. 计算和仿真的结果表明，Hopf分岔的特征频率等于失稳横截模式的振荡频率. 关键词： 耦合非线性振子 同步混沌 横截模式 电路仿真     

尾坐式飞行器过渡模式纵向姿态控制

针对尾坐式飞行器由垂直飞行模式向水平飞行模式转换过程中产生的模型参数变动干扰问题,设计了模糊滑模控制器进行姿态控制,利用模糊规则自适应调整趋近律以消除系统的抖振;通过仿真和飞行实验,验证了所设计的控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒性,可以克服飞行器在过渡模式下系统参数的变动干扰,而且削弱了滑模控制器造成的输出抖振,减轻了副翼执行机构的负担。     

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.      

Discrete modulational instability and bright localized spin wave modes in easy-axis weak ferromagnetic spin chains involving the next-nearest-neighbor coupling

We report a theoretical work on the properties of modulational instability and bright type nonlinear localized modes in one-dimensional easy-axis weak ferromagnetic spin lattices involving next-nearest-neighbor couplings.With a linear stability analysis, we calculate the growth rates of the modulational instability, and plot the instability regions.When the strength of the next-nearest-neighbor coupling is large enough, two new asymmetric modulational instability regions appear near the boundary of the first Brillouin zone.Furthermore, analytical forms of the bright nonlinear localized modes are constructed by means of a quasi-discreteness approach.The influence of the next-nearest-neighbor coupling on the Brillouin zone center mode and boundary mode are discussed.In particular, we discover a reversal phenomenon of the propagation direction of the Brillouin zone boundary mode.     

Multimode Coupling Theory for Kelvin-Helmholtz Instability in Incompressible Fluid

A weakly nonlinear model is proposed for multimode Kelvin-Helmholtz instability. The second-order mode coupling formula for Kelvin-Helmholtz instability in two-dimensional incompressible fluid is presented by expanding the perturbation velocity potential to second order. It is found that there is an important resonance in the course of the sum frequency mode coupling but the difference frequency mode coupling does not have. This resonance makes the sum frequency mode coupling process relatively complex. The sum frequency mode coupling is strongly dependent on time especially when the density of the two fluids is adjacent and the difference frequency mode coupling is not.     

相关分析法确定HL-1M装置磁流体的扰动模式

采用相关分析法模拟分析了HL-1M装置的磁扰动模式,模拟的结果同预期的结果一致。在具有磁流体不稳定性的典型放电中,探测到独立模m=2、3、4,耦合模m=2、3,以及同时出现的耦合模m=4、5和独立模m=5,给出了用扰动幅度的极向截面图分析磁扰动模式的结果,讨论了相关分析法在实验分析中的优点和局限性。     

声场中空化气泡的耦合振动及形状不稳定性的研究

计算了两个具有非球形扰动的气泡所组成系统的能量,并基于Lagrange方程得到了有声相互作用的非球形气泡的动力学方程和形状稳定性方程,研究了声场中非球形气泡间相互作用力对非球形气泡的形状不稳定性和气泡形状模态振幅的影响.研究结果表明声场中具有非球形扰动的气泡之间的耦合方式有两种:形状耦合模式和径向耦合模式,气泡之间的耦合方式取决于气泡形状扰动模态.由形状耦合及径向耦合产生的气泡之间的相互作用力能够改变单个气泡的形状不稳定及形状模态振幅,具体影响因素取决于声场驱动条件、气泡形状模态、相邻气泡的初始半径.     

Dispersion relation and growth rate for a corrugated channel free-electron laser with a helical wiggler pump

The effects of corrugated ion channels on electron trajectories and spatial growth rate for a free-electron laser with a one-dimensional helical wiggler have been investigated. Analysis of the steady-state electron trajectories is performed by solving the equations of motion. Our results show that the presence of a corrugated channel shifts the resonance frequency to smaller values of ion channel frequency. The sixth-order dispersion equation describing the coupling between the electrostatic beam mode and the electromagnetic mode has also been derived. The dispersion relation characteristic is analyzed in detail by numerical solution. Results show that the growth rate of instability in the presence of corrugated ion channels can be greatly enhanced relative to the case of an uniform ion channel.     

Coupling characteristics of high birefringence dual-core As2S3 rectangular lattice photonic crystal fiber

A type of As2S3 chalcogenide glass mid-infrared dual-core photonic crystal fiber has been proposed.The dualcore photonic crystal fiber(PCF) consists of two asymmetric cores.The high polarization property and the coupling characteristics have been studied by using the finite element method and mode coupling theory.Numerical results show that the birefringence at wavelength λ = 10 μm is up to 0.01386 and the coupling length can reach wavelength λ = 5 μm,261 μm and 271.44 μm for x-polarized mode and y-polarized mode,respectively.It demonstrates that a 6.786-mm-long fiber can exhibit an extinction ratio of better than 10 dB and a bandwidth of 180 nm.