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基于模型的系统工程在高速飞行器引气系统设计中的应用研究

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空天技术 2024年第1期2024卷 63-77+84页

作者：李昕褚显应郭健王全平张洪礼北京空天技术研究所

针对组合动力高速飞行器面对的严峻热负载与高电气负载问题，采用基于模型的系统工程方法，从冲压模态无轴功输出、冲压空气温度过高等新约束出发，以需求为基线进行了高速飞行器引气系统逻辑架构、物理架构、组件方案的设计，并进行了... 详细信息

针对组合动力高速飞行器面对的严峻热负载与高电气负载问题，采用基于模型的系统工程方法，从冲压模态无轴功输出、冲压空气温度过高等新约束出发，以需求为基线进行了高速飞行器引气系统逻辑架构、物理架构、组件方案的设计，并进行了系统方案的集成验证，设计方案基本满足约束。结果表明：由进气道引气、空气-燃油换热器预冷、冲压空气涡轮发电制冷等核心硬件组成的引气系统方案可以满足高速飞行器巡航阶段能源需求，采用基于模型的系统工程方法能够有效推动系统迭代设计，提升复杂系统设计的可靠性和效率。

关键词：基于模型的系统工程高速飞行器引气系统建模方法仿真验证

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舰载飞机着舰撞击载荷实测技术研究

空军工程大学学报 2024年第2期25卷 69-75页

作者：汪文君中国飞行试验研究院飞机飞行试验技术研究所西安710089

针对国内飞机起落架载荷测量中普遍存在的静标动测问题,从理论和机理上分析了静标定的应变法实测动态载荷存在问题的原因。同时,考虑到舰载飞机因定点着舰方式遭受严重的动态载荷,重点研究了舰载飞机着舰撞击载荷的静标动测问题。通过... 详细信息

针对国内飞机起落架载荷测量中普遍存在的静标动测问题,从理论和机理上分析了静标定的应变法实测动态载荷存在问题的原因。同时,考虑到舰载飞机因定点着舰方式遭受严重的动态载荷,重点研究了舰载飞机着舰撞击载荷的静标动测问题。通过动态落震试验模拟飞机着舰过程,根据测力平台的实测载荷分析,获取了应变法实测载荷精度受动态影响的程度,提出一种改进的惯性修正方法,即:通过落震试验数据辨识质量矩阵,通过辨识的质量矩阵和实测加速度修正应变法的实测载荷。试验结果表明,改进的惯性修正方法进一步提高了垂向载荷的测量精度,显著提高了航向和侧向载荷的实测精度。

关键词：静标动测应变法着舰撞击落震试验惯性修正

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两端非理想铰支压杆真实屈曲临界载荷研究

空天技术 2024年第4期 43-54+75页

作者：邵泽山关成启吴东涛北京空天技术研究所空天飞行技术全国重点实验室

考虑真实球铰中的非理想因素（球铰的球头与球套间存在间隙、摩擦力），分析了非理想球铰的力学特性，建立了两端非理想铰支压杆的等效力学模型，得到了两端非理想铰支压杆真实屈曲临界载荷的理论公式，给出了相应理论公式的适用性条件... 详细信息

考虑真实球铰中的非理想因素（球铰的球头与球套间存在间隙、摩擦力），分析了非理想球铰的力学特性，建立了两端非理想铰支压杆的等效力学模型，得到了两端非理想铰支压杆真实屈曲临界载荷的理论公式，给出了相应理论公式的适用性条件，分析并讨论了理论公式。以两种典型的两端非理想铰支空心圆管为算例，进行了理论计算、数值仿真与试验研究。研究表明，真实球铰中的非理想因素会导致两端铰支压杆的真实屈曲临界载荷大于理想情况下的值；球铰中球头与球套的间隙越大，两端非理想铰支压杆的真实屈曲临界载荷越小，且越趋近于理想情况下的值。所建立的理论具有普适性，对两端理想简支、两端非理想铰支、两端理想固支情况的压杆均适用。

关键词：非理想铰支球铰压杆临界载荷屈曲

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卫星对空中动态目标凝视成像姿态规划方法

上海交通大学学报 2024年第4期58卷 411-418页

作者：杜宁吴树范陈占胜陈文晖王世耀徐家国秦栋栋上海交通大学航空航天学院上海200240 上海航天技术研究院卫星工程研究所上海201109 上海航天技术研究院航天控制技术研究所上海201109

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展... 详细信息

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器,实现目标地理经纬度的精确估计和预报.在此基础上,规划卫星姿态和角速度,避免了目标像素噪声和延时对姿态稳定度的影响,并实现了单星对目标位置估计.通过数学仿真验证了所提方法的有效性.

关键词：空中动态目标凝视成像姿态规划单星定位扩展卡尔曼滤波

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基于自抗扰方法的无人机控制律设计

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1512-1522页

作者：左玲张翔伦李志宇秦玮侯琳杨森西安飞行自动控制研究所飞行器控制一体化技术重点实验室西安710070

针对多平台、多任务的无人机飞行控制律的快速开发问题,提出一种基于自抗扰方法的无人机控制律架构,设计了可复用的扩展状态观测器及微分跟踪器,研究对比了其在3种具有较大差异的无人机平台中的应用,使7 000 kg的超音速UAV_A获得了更优... 详细信息

针对多平台、多任务的无人机飞行控制律的快速开发问题,提出一种基于自抗扰方法的无人机控制律架构,设计了可复用的扩展状态观测器及微分跟踪器,研究对比了其在3种具有较大差异的无人机平台中的应用,使7 000 kg的超音速UAV_A获得了更优的敏捷性结果,在60 kg的缩比UAV_B完成了5.8g的半滚倒转大过载机动飞行试验,基于10 kg的平直翼UAV_C实现了12架机紧编队的精确轨迹控制飞行试验。仿真及试飞结果表明:所提自抗扰控制结构响应快速、控制精度高、鲁棒性强,能够较好地适应多类无人机、面向多种任务场景的控制需求,且不需调参就能够获得较好的控制效果,为飞行控制算法设计提供了新的技术途径。

关键词：自抗扰控制无人机飞行控制大过载机动飞行编队飞行非线性状态误差反馈控制

基于统计分析与物理模型的批量小样本条件下作动器退化建模

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仪器仪表学报 2024年第4期45卷 1-9页

作者：潘晋新景博焦晓璇王生龙王可心空军工程大学航空工程学院西安710038 航空工业西安飞行自动控制研究所西安710076

作动器是飞行控制系统的重要组成,其性能直接影响飞行安全。然而,大部分部件全寿命周期仅能获取2~3次的返所测试数据,性能退化样本极小,给作动器的性能预测带来困难。针对这一问题,提出了一种统计分析与物理模型结合的性能预测方法,首... 详细信息

作动器是飞行控制系统的重要组成,其性能直接影响飞行安全。然而,大部分部件全寿命周期仅能获取2~3次的返所测试数据,性能退化样本极小,给作动器的性能预测带来困难。针对这一问题,提出了一种统计分析与物理模型结合的性能预测方法,首先对批次型部件数据进行统计分析,建立作动器不同阶段的统计分布规律;然后,结合作动器退化的物理模型与统计规律,建立带有概率分布的作动器退化函数,并基于AMESim仿真对参数进行标定,得到不同时间与健康参数下的概率密度函数;最后,针对任一部件获取的健康参数,给出基于后验概率的概率密度函数更新方式。为验证方法的有效性,本文采用多个含有3个数据点的样本进行验证,统计预测值精度。结果表明,实测值在预测密度函数的3sigma范围的概率高达92.27%,证明预测密度函数能够在高置信度下表征作动器退化规律。

关键词：小样本退化建模统计分析作动器 AMESim仿真

基于CFD计算域分区耦合技术的航空微型溢流阀流固耦合全域数值计算

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航空学报 2024年第15期45卷 65-81页

作者：朱嘉兴李奕宁牛世勇田一松李頔解一鸣航空工业西安飞行自动控制研究所西安710065

飞机液压作动系统微型插装式溢流阀具有微形流道结构,内部瞬时流体输运规律及诱发两相流的机制尚不明确,产品特性参数对性能的影响尚未明晰,亟需发展相关的仿真模型进行分析研究并开展实验验证工作。以某航空液压作动系统用微型插装式... 详细信息

飞机液压作动系统微型插装式溢流阀具有微形流道结构,内部瞬时流体输运规律及诱发两相流的机制尚不明确,产品特性参数对性能的影响尚未明晰,亟需发展相关的仿真模型进行分析研究并开展实验验证工作。以某航空液压作动系统用微型插装式溢流阀为研究对象进行了仿真和试验研究。在仿真计算时,考虑了阀芯运动造成的溢流阀全域结构变化以及边界条件迁移的影响,在流固耦合的基础上提出了一种针对该型溢流阀流道结构的CFD计算域分区耦合技术,并以此完成了全域数值计算模型的建模工作。基于全空化模型、湍流模型和阀芯动力学计算模型,该CFD仿真模型可实现对溢流阀全工作周期内瞬态特性的准确模拟,可得到流体压力场、流体速度场、空化相变特性及运动组件动力学特性随阀芯动作的动态衍变规律。另一方面,搭建了溢流阀性能试验台用于验证仿真模型的正确性。并基于代理模型技术构建了CFD模型输入输出之间映射关系的Kriging模型,极大提升了原模型的计算效率。将其应用于较大计算规模的模型评估,以此进行了启闭及流量特性参数对输入参数的全局灵敏度分析。最后,以结果指导产品研制过程的优化。结果表明:该型溢流阀的启闭过程连续、迅速且稳定,可有效保障系统安全。仿真得到的压力-流量结果与试验数据较为吻合,全周期内最大误差保持在5%以内。弹簧特性和位移限制位置对溢流阀的启闭特性产生较大影响,需要在研制过程进行重点关注。本文工作有助于深入理解微型插装溢流阀内部复杂流动机理,可对其研制过程形成理论指导,对其所处液压作动系统的运行可靠性和稳定性提升具有较为重要的价值。

关键词：微型阀 CFD 流固耦合瞬态流场特性灵敏度分析

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电磁不连续和缺陷结构表面波散射特性

航空学报 2024年第12期45卷 269-281页

作者：余龙舟黄江涛钟世东陈宪陈诚中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所绵阳621000

对于隐身飞行器设计,当镜面和腔体等主要散射源被抑制后,表面波在电磁不连续和缺陷结构处产生的回波散射和空间散射成为重要的散射源。为研究电磁不连续和缺陷结构的表面波散射行为,通过平板波导激励,建立起表面波传输模型。基于该表面... 详细信息

对于隐身飞行器设计,当镜面和腔体等主要散射源被抑制后,表面波在电磁不连续和缺陷结构处产生的回波散射和空间散射成为重要的散射源。为研究电磁不连续和缺陷结构的表面波散射行为,通过平板波导激励,建立起表面波传输模型。基于该表面波传输模型,从飞行器表面结构出发,建立了曲面及二面倾角、缝隙和台阶3类电磁不连续或缺陷结构,并开展仿真研究,获得了关键结构参数与回波散射强度和空间散射效率的定量关系。研究表明:凸面不连续结构的表面波在传输过程中不断向空间散射而衰减,当凸面半径超过10倍波导波长时,衰减系数接近0,凹面不连续结构的表面波在传输过程中不衰减;二面倾角结构的倾角在30°范围内时,能够有效抑制表面波的空间散射效率在10%以内,且回波散射较弱;缝隙和台阶的表面波散射与结构尺寸之间存在半波谐振关系,且回波散射和空间散射抑制难以兼顾。研究结果可为隐身飞行器外形结构的表面波散射抑制设计提供指导。

关键词：电磁散射外形隐身设计表面波电磁不连续结构电磁缺陷结构

非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射光谱计算及振转温度测量

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物理学报 2024年第15期73卷 80-89页

作者：杨文斌张华磊齐新华车庆丰周江宁白冰陈爽母金河中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所绵阳621000 空军航空大学长春130012 哈尔滨工程大学物理与光电学院哈尔滨150001

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键... 详细信息

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

关键词：热力学非平衡振动温度转动温度相干反斯托克斯拉曼散射