摘要：吸气式高超声速飞行器在机动过程中,由于构型复杂,气动特性呈现强烈的非定常特性。传统基于数据库或气动力模型的飞行仿真不能准确描述机动过程中复杂的气动特性和运动规律。针对这一问题,基于现代软件分布式、模块化的发展趋势,建立了一个高效的数值虚拟飞行仿真平台。利用该平台,对一种类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器开展了纵向机动闭环数值仿真,并与工程方法的结果进行了对比。研究发现:对于类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器,在纵向拉起时,工程方法给出的结果可能不能完全反映非定常效应的影响。此时,应该采用更为精确的虚拟飞行方法来研究飞行器的闭环响应特性。此外,借助该仿真平台还研究了舵回路时间常数对控制系统的影响,为控制律设计提供了一定的参考。

摘要：提出并实现了一种基于机器学习的PID智能控制策略下的数值虚拟飞行算法,结合Basic Finner导弹标准模型算例,对所提出算法进行了验证和评估分析,表明本文算法可行,并具有良好的应用前景。首先,搭建了一种基于重叠动网格技术的CFD/RBD耦合数值虚拟飞行仿真模型。针对Basic Finner导弹的标准工况进行了无控自由飞行状态的数值飞行模拟,并结合实验结果对所构建的数值虚拟飞行仿真算法进行了验证和评估,表明所采用的数值模拟算法可用于数值虚拟飞行环境下的智能控制参数设计与仿真评估;其次,结合数值虚拟飞行过程对飞行器气动、姿态和位移等参数的实时控制需求,提出了一种基于BP神经网络算法的PID参数在线学习的智能控制器,并针对Basic Finner导弹的俯仰通道,分别对传统PID控制策略和智能PID控制策略下的导弹自由释放后的俯仰角快速稳定控制过程、阶跃式和正弦式俯仰角输入下的导弹跟踪控制过程进行了数值虚拟飞行仿真模拟。研究表明,基于BP神经网络的PID智能控制器能够根据所获得的实时飞行参数,实现控制参数的在线学习和自我优化、调整,相比于传统PID控制器,对于不同输入工况表现出良好的适应性,所关注的控制变量的超调量、上升时间、过渡时间、稳态误差等性能指标均有很大的提高,学习效率越高,则系统响应速度越快,超调量也越大,稳定误差越小。

摘要：结冰是持续威胁航空安全的主要气象因素之一。飞机在结冰条件下的飞行是一个传热传质学、空气动力学及飞行力学多学科耦合作用过程。现有研究工作主要将该过程解耦为冰结构的形成机理及冰层的发展演化、结冰后流场的流动机理及飞机的气动特性、结冰对飞机飞行动力学特性及飞行安全影响机制分别进行研究。借鉴现代飞行器设计中解决气动、运动、控制多学科耦合问题所采用的数值虚拟飞行方法,对结冰飞机的冰形预测、结冰后飞机的气动特性和飞行动力学特性,以及数值虚拟飞行等4个研究内容进行综述,系统介绍了研究的代表性成果并加以总结和分析,提出“结冰飞机数值虚拟飞行”的研究展望,并归纳需解决的关键问题。

摘要：随着计算机科学和计算流体力学的发展,以非定常数值模拟为核心,开展气动/运动/控制等多学科耦合的"数值虚拟飞行"模拟成为可能.数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与控制性能.该文综述了国内外数值虚拟飞行中"气动/运动/控制"耦合的一体化模拟技术的研究进展,分析了其中的关键科学和技术问题,重点介绍了气动/运动/控制耦合一体化计算方法,并介绍了作者在一体化耦合计算方法方面取得的进展及初步应用情况.最后探讨了数值虚拟飞行中的一些挑战性问题,并对未来发展趋势进行了展望.可以预期,随着E级计算的到来,在不久的将来,数值虚拟飞行将给新型飞行器设计带来革命性的变化.

摘要：飞行控制系统(FCS)与计算流体力学(CFD)的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程(RBD)以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。