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.      

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明：在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。     

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.      

发动机喷流对体襟翼干扰特性的数值模拟

出于俯仰配平控制需求，面对称飞行器通常会在力臂最长的尾端面布置气动控制面——体襟翼.由于体襟翼与发动机喷管距离较近，因此，极易受到发动机喷流干扰.该干扰力虽远小于发动机推力，但其力的作用方向垂直于体襟翼，力臂明显更长，导致喷流干扰所产生的俯仰力矩相对发动机推力所产生的俯仰力矩而言并非小量，甚至给飞行器控制造成不利影响.文章通过数值求解多组分N-S方程，分析了发动机与体襟翼之间的喷流干扰流场机理，发现了该喷流干扰力特性在低空低速和高空高速截然相反的原因.      

风洞热结构考核中温度场相似准则问题研究

高速飞行会让飞行器结构承受大量的气动加热从而导致结构温度或应力失效,高超声速飞行器设计过程中通常需要进行结构考核试验。受风洞设备能力限制,试验模型尺寸、来流条件等方面与实际飞行条件存在很大差异。对真实模型进行缩放处理后进行风洞热结构考核,并通过相似关系转换获得真实飞行器结构温度情况,为飞行器防热布局设计提供有效数据支撑,有着迫切需求。本文通过热传导方程对模型相似参数进行讨论,并根据风洞试验实际边界情况进行了讨论研究。获得了具有针对性的相似准则关系。最后,经过对提出的相似参数进行的算例考核计算和初步分析,验证了该相似准则的正确性。     

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.      

折叠翼面展开过程中气动载荷特性数值模拟

针对某飞行器翼面高速展开过程,采用定常和非定常数值模拟两种不同方法,进行折叠翼面展开过程气动载荷分析研究,其中定常方法主要研究翼面从折叠到展开过程中不同展开角下外翼面的气动特性,分析展开角、来流参数对外翼面气动力的影响;非定常方法主要模拟折叠翼面展开角速度变化,从而获得典型工况下翼面展开过程的载荷情况,分析非定常效应对气动载荷的影响.研究发现,当翼面展开速度与来流速度相近时,则非定常效应不可忽略而必须采用非定常模拟方法.      

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.      

高超声速飞行器宽速域翼型多目标优化设计研究

高超声速飞行器正向着速域更宽、空域更广、航程更远的方向发展.因而对于现代高超声速飞行器的设计而言，除了保证高超声速的性能外，还必须兼顾满足工程需求的亚声速、跨声速、超声速特性.文章对薄翼型在不同速域下的流动机理进行分析，总结了不同速域下翼型增升减阻的设计准则，然后采用RANS方程流动求解器，结合基于Kriging模型的代理优化算法，开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究.首先，以NACA64A-204翼型为基准翼型，采用线性加权法进行了考虑亚、跨和高超声速气动特性的多轮次宽速域翼型优化设计研究，得到了一种宽速域性能得到改善的新翼型.然后，以优化得到的新翼型为原始翼型，开展多目标优化设计，获得了宽速域翼型两目标和三目标的Pareto最优化解集.      

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.      

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.      

基于虚拟仪器的舵机综合测试系统设计

为了在实验室条件下模拟舵机系统实际飞行时所受的气动载荷,实现舵机部件和整机的动静态测试,设计了基于虚拟仪器的舵机综合测试系统。针对舵机测试系统自动化化和综合化需求,基于PXI架构和LabWindows/CVI平台,完成了测试系统的硬件设计和软件设计,采用异步定时器实现了实时数据采集,采用tdms数据流实现了大容量高速数据的记录,运用多线程实现了良好的人机交互与流畅的曲线显示,采用ActiveX技术调用Excel实现了测试报表的自动生成。使用和测试结果表明,该测试系统显著提高了舵机测试的效率和精确度以及自动化水平,使用方便,性能稳定,为舵机性能测试和设计优化提供了可靠保障。     

基于Chebyshev-Taylor-Fourier混合级数模型函数的多源气动数据融合方法

针对飞行器气动力多源数据融合、飞行试验气动辨识问题,提出了一种基于Chebyshev-Taylor-Fourier混合级数模型函数、不确定度平衡权函数和加权最小二乘原理的多源数据融合和辨识方法.该方法采用二元Chebyshev级数、Taylor级数和Fourier级数技术建立飞行器气动模型函数,采用权函数技术平衡各数据源间的不同精度和不确定度,采用最小二乘法原理确定超定方程组解,从而获得Chebyshev-Taylor-Fourier混合级数模型函数的各项参数值,最终确定多源数据融合的飞行器气动力（力矩）系数模型函数数学表达式.典型的应用实例表明该方法高效实用、精度可靠,工程应用前景良好.      

基于视觉测量的飞行器舵面角位移传感器标定

提出一种基于计算机单目视觉的飞行器副翼、襟翼、方向舵和升降舵角位移传感器的非接触标定方法.用共面的两个特征圆组成一标定靶固定在飞行器舵面上,用一台定焦数码摄像机对标定靶拍照,获得特征圆数字图像.经图像分析确定特征圆圆心及直径在像面上的透视投影位置和长度,根据透视投影逆变换原理建立物和像空间坐标关系的解算模型,进而导出靶面平面方程.飞行器舵面角位移则由标定靶面的法线方向余弦来表示.仿真结果表明,该方法具有标定过程快速、简单和准确的特点.不需事先标定摄像机内外部参量,其标定准确度优于0.2°.     

基于翼身融合布局载机的组合空射飞行器概念设计与气动优化

提出了一种使用翼身融合布局载机背载火箭助推空天飞行器的概念设计及其载机平台的气动优化设计, 本设计第1级是1个大型亚跨声速翼身融合布局载机, 第2级是两个推进剂外贮箱, 第3级是一种有翼火箭推进飞行器, 空基发射相对陆基或海基发射的优势是在同等入轨质量条件下, 可以大幅度减小初始发射质量, 大幅度节省推进剂, 显著降低发射成本, 提高空天发射的便捷性, 经过设计估算, 可以1×106 kg量级起飞达到陆基多级火箭2×106 kg量级发射航天飞机级质量的目的, 并可以重复使用。对于第3级飞行器, 利用空天飞行器因其具有的高度和速度而蓄积的引力势能和动能, 具有实现环球飞行量级的大航程高速无动力滑翔飞行的潜力, 探索空射型助推滑翔式系统如何将这些巨大能量缓慢释放用于实现无动力远距离高空高速滑翔飞行。考虑到高超声速飞行器部分的气动优化潜力有限, 利用多点多约束气动优化设计方法实现了载机平台高空发射状态升阻比的较大增加和起飞状态升力系数的显著增长, 用以增大载机平台的载重能力, 而载重能力的增加可用于提升空射系统的入轨质量或者滑翔航程, 从而优化系统整体。      

可重复使用飞行器热走廊物理建模研究

对再入热走廊的物理含义进行了定义分析,为使防热层温度不超过热防护系统所允许使用的极限温度,可重复使用飞行器的飞行轨道必须在再入走廊热之内。建立了可重复使用飞行器再入热走廊的物理模型,给出该物理模型下热走廊的控制方程和求解方法。通过对航天飞机轨道器典型位置的再入热走廊与传统方法的验证分析,说明本文建立的可重复使用飞行器再入热走廊物理模型和求解方法是正确的,同时探讨了表面材料承受温度和发射系数对热走廊的影响规律。     

空间相机主支撑结构优化设计方法的研究

描述了空间相机运载发射及在轨运行阶段经历的力学和热环境,提出空间相机主支撑结构优化设计方法,用有限元分析法对卡塞格林和TMA两种具体空间相机光学系统主支撑结构进行了优化设计。对拓扑优化前后分析结果进行比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41Hz提高到72Hz,重量降低15%;TMA光学系统主支撑结构一阶固有频率不变,重量降低35%。结果表明,采用此优化设计方法不仅缩短了设计周期,而且有效地降低了支撑结构重量,提高了主支撑结构的性能,满足系统设计要求。     

Calculation of ground vibration spectra from heavy military vehicles

The demand for reliable autonomous systems capable to detect and identify heavy military vehicles becomes an important issue for UN peacekeeping forces in the current delicate political climate. A promising method of detection and identification is the one using the information extracted from ground vibration spectra generated by heavy military vehicles, often termed as their seismic signatures. This paper presents the results of the theoretical investigation of ground vibration spectra generated by heavy military vehicles, such as tanks and armed personnel carriers. A simple quarter car model is considered to identify the resulting dynamic forces applied from a vehicle to the ground. Then the obtained analytical expressions for vehicle dynamic forces are used for calculations of generated ground vibrations, predominantly Rayleigh surface waves, using Green's function method. A comparison of the obtained theoretical results with the published experimental data shows that analytical techniques based on the simplified quarter car vehicle model are capable of producing ground vibration spectra of heavy military vehicles that reproduce basic properties of experimental spectra.     

道路交通的流体物理模型与粒子仿真方法

针对受多种因素影响的复杂道路交通系统问题,基于颗粒动力学理论,结合传统的Lighthill-WhithamRichards物理模型,建立道路交通系统的流体物理模型,采用无网格粒子与网格相结合的方法进行数值仿真,并应用于典型道路交通问题的求解.在新模型中,将车辆比拟为硬颗粒,车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞相互作用,已知道路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流-粒两相系统中的外部流体驱动力作用,不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的黏性作用,从而在颗粒动力学理论的基础上,推导建立了道路交通系统拟流体模型;引入光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)对车辆系统模型进行离散,建立"SDPH车辆"与真实车辆之间的一一对应关系,再结合有限体积方法,对道路交通构建的双流体模型进行求解,建立求解交通流体物理模型的新型仿真方法.最后,采用所建立的模型和方法对车辆汇入以及机非混合对交通系统的影响过程进行了数值仿真,所得结果与实测值符合较好,表明新的模型和方法有效性好、可靠性高,为道路交通问题的解决提供了一条全新的途径.