高超声速飞行器建模与自主控制技术研究进展

 高超声速飞行器是国内外研究的热点问题。综述了高超声速飞行器建模与自主控制问题。阐明了高超声速飞行器的特点及控制难点,列举了典型的高超声速飞行器模型,从机理推导方法、计算流体力学（CFD）实验方法、模型简化技术和模型验证技术方面介绍了高超声速飞行器建模的研究进展,从传统滑模控制、高阶滑模控制、反步控制、自适应控制、轨迹线性化控制方面阐述了高超声速飞行器自主控制的研究进展,探讨了高超声速飞行器仿真平台开发的研究趋势。     

高超声速飞行器技术研究进展

 高超声速技术作为新世纪航空航天的标志性技术,已成为国内外军事、航天领域关注的重点技术。对高超声速飞行器进行了分类,对国外主要军事大国高超声速飞行器的发展路线、总体方案、性能参数等进行了梳理,围绕对高超声速飞行器发展产生重要影响的气动设计技术、高超声速推进技术、高超声速结构热防护技术、高超声速制导控制技术,剖析了技术发展特点和技术发展方向。基于国外高超声速飞行器的型号发展和投入方向,认为高超声速滑翔飞行器将成为高超声速领域优先发展领域。     

高超声速目标类型的灰色关联识别模型

为了解决高超声速目标类型识别问题这一反导作战的重要环节,在分析高超声速目标速度、高度和航迹特性的基础上,利用灰色关联理论,选取合适的特征指标,建立了高超声速目标类型识别模型,并对所建立的模型进行了实例验证,证实了模型的有效性,为高超声速目标类型识别提供一条有效的途径。     

2015-03 国内期刊亮点

专刊推介高超声速流动研究工作高超声速飞行器是国际上研究的热点,也是我国着力发展的重要武器装备之一。高超声速流动问题,作为高超声速飞行器研制中的关键技术问题,受到国内外高度重视。2008年,美国国防部组织实施的国家高超声速基础研究计划列出的6大基础科学问题,有4项属于高超声速流动问题范畴。我国为推动高超声速飞行器的发展,     

基于SDRE方法高超声速飞行器控制系统设计

高超声速飞行器拥有复杂且易变的气动特性,为确保高超声速飞行器在复杂的飞行条件下,拥有稳定的飞行特性、良好的控制性能。针对高超声速飞行器非线性模型,采用状态相关的Riccati方程(State-Dependent Riccati Equation,SDRE)方法设计高超声速飞行器控制系统,利用改进的Newton法对控制器进行求解,同时在高超声速条件下进行仿真,验证了SDRE方法在高超声速飞行器控制系统中的可实现性及优越性。     

高超声速飞行器建模研究

该文基于NASPWinged-cone高超声速飞行器模型,研究了高超声速飞行器六自由度模型建立方法,并基于面元法计算的气动力对其纵向模态特性进行了初步研究,了解了高超声速飞行器纵向长短周期特性。该建模方法为初步分析、计算、模拟和表征高超声速飞行器运动规律的研究提供了方法。     

高超声速飞行器变比热驻点热流计算

 为快速准确预测高超声速飞行器驻点热流密度,基于P-R 状态方程,计算空气真实气体状态下比热比、定压比热容,得到温度拟合公式。应用变比热计算了高超声速飞行器激波后温度,应用空气真实气体状态下定压比热容计算了典型的高超声速钝头体驻点热流密度值。计算结果与实验值基本吻合,表明计算方法可行,有足够的精度,可为高超声速飞行器初步设计热环境计算和防热材料的合理选择提供可靠的参考数据。     

高超声速巡航导弹攻防对抗仿真研究

在当前复杂作战环境下,对导弹武器系统进行攻防对抗研究是很有必要的。针对攻防对抗这一复杂的动态过程,本文建立了高超声速巡航导弹攻防对抗仿真模型,并在此模型中,分别给出了结果评判模型、作战环境模型和对抗仿真模型。并根据所建立的仿真模型,计算出高超声速巡航导弹的突防概率。仿真算例结果表明,减小高超声速巡航导弹的雷达反射截面积RCS和增大高超声速巡航导弹的巡航速度是提高其突防效能的重要手段。     

战争将进入读秒时代

在周星驰的电影《功夫》中,火云邪神面对着斧头帮,曾说过这样一句话:"天下武功,唯快不破!"而在军事装备领域,这句话也同样有效,其典型代表就是"高超声速武器"。由于这种武器快准狠,而且射程远,得到了多国的高度重视。不时髦却很危险弹道导弹是种高超声速武器高超声速技术是指飞行速度超过5倍音速的飞行器技术,是21世纪航空航天技术的制高点,也是重要的军民两用高技术。其实高超声速武器严格说来并     

基于粒子群的高超声速飞行器模糊控制方法

由于采用机体一体化设计,吸气式高超声速飞行器的气动特性难以准确获知,建立的数学模型是极为不准确的。针对这一特点,研究了一种基于粒子群的高超声速飞行器模糊控制方法,利用粒子群算法对模糊控制器参数寻优,使该控制方法具有强鲁棒性,高超声速飞行器在气动模型不确定情况下,依然能够保持很高的控制精度。仿真用高超声速飞行器的纵向模型对该控制器进行了验证,证明该控制方法能够有效地克服气动参数的不确定性,准确地跟踪飞行器的高度和速度指令。     

基于代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

高超声速飞行器气动热的快速准确预测是当前高超声速气动热弹性分析的重要前提. 针对当前高超声速气动热工程计算、高精度数值计算和实验研究均不能很好适应工程应用的问题,结合代理模型的基本思想,提出了基于代理模型的高超声速气动热模型降阶方法,建立了一种高超声速气动热模型降阶框架. 以典型高超声速三维翼面为例,对比拉丁超立方采样方法lhsdesign函数和改进的逐次枚举的拉丁超立方方法SLE,利用相同的设计样本点和代理模型构造方法,SLE方法构造的降阶模型预测翼面温度平均误差、L_∞和e_NRSME均小于lhsdesign方法,SLE采样方法有助于提高降阶模型的精度;对比Kriging和RBF两种代理模型构造方法,Kriging方法构造降阶模型优于RBF方法. 针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明,本文高超声速气动热降阶方法具有较高的精度和效率.      

高超声速飞行器热管理关键技术及研发进展

 从热能排散和再利用的角度介绍了高超声速飞行器热管理关键技术及进展情况。针对热能排散技术，介绍了被动/半主动/主动防热结构、承载/防热以及其他多功能结构；针对热能再利用技术，介绍了再生冷却和热电转换技术；从现有热管理技术的特点和研究现状出发，提出了高超声速飞行器热管理技术的发展趋势。     

一种适用于高速拦截的滑模末制导律

实际导弹系统存在一系列的参数不确定性及外部扰动,而利用滑模变结构系统具有的抗干扰和抗参数摄动特性,可以设计出对干扰具有很好鲁棒性的滑模制导律（SMG）。但目前广泛采用的基于零化视线角率的滑模制导律在用于高速（高超声速）拦截情况时,由于相对速度大,视线角率在零点振荡剧烈,很容易导致系统的发散。针对这一问题,（西北工业大学航天学院）设计了一种新型滑模制导律,其并不要求时时将视线角率控制为零,而是随着弹目标距离的减小,自动适当地放宽对视线角率的约束,从而有效缓解了传统滑模制导带来的强振荡问题。最后通过某高超声速拦截导弹的六自由度拦截仿真来说明这种滑模制导律的性能。与传统滑模制导律相比,在高速拦截时,其制导指令的振荡问题得到明显缓解,同时还保留了滑模系统的鲁棒特性。     

高超声速机体/推进一体化试验设备概述

 回顾了高超声速推进地面设备及任务的发展历程，明确了设备分类，简述了直连式超声速燃烧试验台、燃烧加热高超声速高温风洞、电弧加热超声速燃烧试验台、高超声速高焓激波试验台、脉冲燃烧风洞等试验设备的原理、主要结构和基本参数。通过对不同设备特点的分析，指出脉冲燃烧风洞是开展高超声速机体/推进一体化试验的理想设备。     

高超声速弹箭烧蚀对外弹道特性的影响

该文根据烧蚀模型计算出弹丸在某一时刻的烧蚀外形及其对应的气动系数 ,利用外弹道模型仿真高超声速弹丸烧蚀后对其外弹道特性的影响。文中所采用的理论、方法及计算结果对以后进行高超声速弹箭的研究有参考价值     

高超声速飞行器舵机间隙的影响及其抑制

高超声速飞行器非线性性影响飞行姿态控制,在某型轴对称高超声速飞行器俯仰通道数学仿真模型的基础上,利用描述函数法分析了舵机间隙环节对俯仰通道控制的影响。指出舵机间隙环节导致系统振荡,影响飞行姿态控制,然后在不改变原高超声速飞行器飞行控制参数的基础上,提出采用离散最速控制算法作为舵机控制算法抑制该间隙环节。仿真结果表明舵机应用该控制算法能显著削弱舵机间隙环节对飞行控制的影响。     

神经网络校正的EKF在高超声速目标跟踪中的应用

针对临近空间高超声速目标高度非线性、强耦合、高机动、时变参数、和独特气动特性等特点,综合运用军事运筹学理论与方法、系统建模技术、神经网络技术以及计算机仿真等,提出基于神经网络校正的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法,并在高超声速目标跟踪中进行了应用研究。采取神经网络的学习能力来克服卡尔曼滤波发散问题,通过卡尔曼滤波后加一级误差处理环节使滤波收敛。仿真结果表明:该算法在目标发生较大机动时仍能保持较高的跟踪精度。     

基于耦合分析的高超声速飞行器纵向协调控制

为解决高超声速飞行器纵向飞行控制系统设计中的协调问题, 基于高超声速纵向非线性数学模型, 对其状态变量组与输入变量组、 轨迹变量组与姿态变量组之间进行了耦合分析, 根据量化耦合程度提出了一种新型的纵向系统分层协调控制方法。 仿真结果表明, 与传统控制方法相比, 该方法可有效解决高超声速飞行器在轨迹运动、 姿态运动和推进系统之间的强耦合问题, 在保证姿态稳定的基础上, 实现更加平稳和高效的轨迹跟踪。     

基于模糊自适应的高超声速飞行器控制设计

由于采用机体/发动机高度一体化设计,吸气式超燃冲压高超声速飞行器的气动特性难以准确获得。针对这一特点,研究了一种基于模糊自适应的控制方法,使得高超声速飞行器在气动模型不确定情况下,依然能够保持较好的控制精度。采用模糊自适应方法设计了高超声速飞行器纵向控制系统,并进行了无偏和拉偏仿真。仿真结果表明,该方法能够有效克服气动模型不确定性,实现飞行器的速度和高度的跟踪控制。     

21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望

21世纪的世界航空动力技术将继续加速发展，有可能出现革命性变化。传统的燃气涡轮发动机仍具有巨大的发展潜力；随着超燃冲压发动机以及涡轮和火箭基组合循环发动机的应用，高超声速飞行将成为现实，并有可能迎来以高超声速空天往返飞行为标志的新的航空时代；脉冲爆震发动机、超微型发动机等新概念发动机必将登上历史舞台；新能源航空发动机将占据一席之地；航空动力技术将继续在人类科技发展和社会进步中占据重要的地位。