高空高速飞行器气动特性研究

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题, 必须发展相应的基础理论和研究方法.该文从计算方法、流动拓扑分析以及典型飞行器应用等方面介绍了作者所在研究团队近年来部分工作进展.      

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.      

基于VTOL飞行器的滑模控制器设计

垂直起降（Vertical takeoff and landing,VTOL）飞行器是具有3个自由度、2个控制输入的非线性欠驱动控制系统,为了解决严重耦合的VTOL欠驱动系统的输出跟踪问题,首先将VTOL动力学模型解耦成一个最小相位系统和一个非最小相位系统,然后分别针对这两个解耦子系统设计滑模控制器,并通过Lyapunov理论证明系统的稳定性,最后仿真结果表明所设计的滑模控制器实现了对轨迹的无稳态误差跟踪,具有较好的鲁棒性,能够为此类欠驱动系统的输出跟踪问题提供设计参考。     

基于四轴飞行器的短距离低空运输系统的设计

为实现四轴飞行器在短距离低空运输方面的应用,设计了一种基于四轴飞行器的运输系统,该系统可实现运载物品并将其投放至指定地区的功能。系统以两片STM32F103为控制核心,一片作为从机,实现系统的姿态控制、图像采集、无线传输、物资运输等功能;另一片作为主机,可向从机发送图像采集指令并将图像数据传至上位机显示。 图像采集模块采用高清摄像头+CPLD+SDRAM的FIFO模式,在不影响控制中心运算速度和内存使用率的情况下,使系统能够并行完成姿态控制、图像采集、物资运输等操作。根据四轴飞行器的负载能力设计了一款运输箱,并利用大功率驱动芯片BTS7960驱动电机将物品投放出去,从而实现低空运输的功能。     

基于激光雷达的多旋翼飞行器实时避障系统

针对多旋翼飞行器的障碍物规避问题,提出一种基于激光雷达的自主飞行多旋翼飞行器避障系统,实现多旋翼飞行器自主飞行的实时避障;该避障系统针对静态、低速运动障碍物,综合飞行器本体姿态、速度、加速度等状态信息,建立基于改进势场法的避障模型和算法;在机器人操作系统(ROS,Robot Operating System)平台进行该避障系统的软件实现,其通过串口与飞控进行通信,完成多旋翼飞行器的自主避障飞行;同时,为了使该系统能在强光环境正常工作,在不影响系统实时性的前提下,对激光雷达的干扰问题进行优化设计;大量实验表明:该避障算法计算量小,能够保证避障系统的实时性,在机体慢速以及低速运动(机体与障碍物之间的相对运动速度小于等于3 m/s)的场景中能够正确检测范围6 m内,并迅速规避障碍物。     

探月飞行器效能评估研究与实践

航天器飞行效能评估是整器级测试验证以及在轨飞行结果评价中不可或缺的重要环节,针对我国探月三期月地高速再入返回飞行试验,提出了一种基于任务剖面的航天器飞行效能评估方案;提取7个任务剖面、17个约束条件,建立面向月地再入返回过程的指标评估体系;通过定量、定性指标量化计算、权重系数层次分析法计算各任务剖面的能力度量值,解决了系统目标完成能力不易定量描述的难题,实现了对月地转移段、大气层外自由飞行段、再入段、跃出段等过程自主飞行能力的科学定量评估,对后续月球无人采样返回、火星探测等探测器系统的效能评估具有一定参考意义;该方法已应用于月地高速再入返回飞行器系统。     

高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析

针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在“饱和现象”; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.     

四轴飞行器视觉组合导航系统设计与实现

为实现四轴飞行器的自主飞行,设计了该视觉导航系统;采用基于ARM处理器的飞行控制器和导航控制器的双CPU结构,提高了系统的运行速度;飞行控制部分采用四元数解算姿态,运用经典的PID控制设计了X、Y、Z三个轴的PID控制器进行整个系统的飞行控制;导航部分采用不敏卡尔曼滤波(UKF)融合惯导位置和视觉位置,从而给出载体最优位置,提高导航精度;实验结果表明,基于图像和惯性导航的视觉组合导航方式可使导航精度保持在0.5 m内,同时整个系统具有较好的快速性和稳定性。     

结构光辅助的惯性/视觉室内导航三维环境重构方法

室内环境全局信息对未知环境下的微型飞行器导航与定位具有重要的意义。针对惯性导航系统难以创建全局地图等问题,提出一种结构光辅助的惯性/视觉室内导航三维环境重构方法。该方法通过改进单点激光三角测距获得结构光上每个点在相机系下的坐标,使用惯性信息辅助图像匹配测角代替传统三维重建技术中的驱动单元获取两帧图像间角度信息,实现离散点组成的室内环境构造,结合平面构建策略剔除了错误离散点,改进了室内三维环境重构效果。实验结果表明:使用该方法获得的帧间角度准确,低转速下角度测量误差在5%以内;融合了离散点与平面的室内环境能够表现室内环境特征,并有效消除了错误离散点的干扰,将错误率降低到1%以下。     

高超声速飞行器大面积热防护系统的传热数值分析

隔热毡是高超声速飞行器防热系统中重要的组成部分。隔热毡内存在复杂的多种传热形式的耦合,本文详细地分析了隔热结构内导热与辐射的复合换热问题,用光学厚极限法分析了隔热层纤维席内辐射热流。建立了高温绝热毡有效热导率的数值计算模型,分析了温度和压力对传热机制的影响。该模型预测的有效导热系数与试验结果最大误差不超过6%。通过应用数值分析方法得到有效导热系数,建立了防热结构一维瞬态传热模型,该模型结果与瞬态实验结果最大误差为8%。最后还计算出不同厚度隔热毡蒙皮结构的温度响应,并分析讨论了隔热毡厚度对隔热效果的影响。本文研究表明:TPS隔热毡的厚度达到63.3mm后,继续增加尺寸,其隔热效率将明显降低。