考虑主动冷却超燃冲压发动机的飞/推一体化控制研究

  自从高超声速飞行概念被提出以来,在航空航天领域研究中以冲压发动机为动力的吸气式高超声速飞行器一直占有重要地位。经历了半个多世纪的发展,吸气式高超声速飞行器仍面临许多关键技术问题,其中就包括主动冷却超燃冲压发动机的控制问题和飞/推一体化控制问题。高超声速飞行器一体化设计的本质决定了其需要进行一体化控制,同时,主动冷却超燃冲压发动机为高超声速飞行器长时间巡航的实现提供了可能性,而将主动冷却发动机控制考虑进一体化控制中的研究少之又少。因此,将两者结合考虑就得出了本课题的主要研究内容,即考虑主动冷却的飞/推一体化控制,之前的一体化控制研究中大多都是考虑无冷却超燃冲压发动机,本课题在该基础上更进一步,采用一维主动冷却超燃冲压发动机模型来进行飞/推一体化控制的研究,探究主动冷却在一体化控制下的特殊性。首先,建立了可以精确反映飞行器整体特性和主动冷却超燃冲压发动机安全特性的飞/推一体化模型。分析了一体化控制的模型需求并给出了本研究所采用的飞行器和发动机模型,对飞行器模型和发动机模型进行了特性分析,得到了主动冷却超燃冲压发动机的进气道稳定裕度特性和冷却油温特性,并分析了飞/推耦合机理,在此基础上连接飞行器模型和发动机模型,建立了具有主动冷却发动机安全特性的飞/推一体化模型。其次,分析了高超声速飞行器和主动冷却超燃冲压发动机之间的耦合特性。探讨了飞行器姿态和发动机工作状态之间的相互影响,分析了耦合特性对发动机性能的影响,包括对进气道性能和发动机推力输出性能的影响,分析了耦合特性对发动机安全的影响,包括对进气道稳定裕度和冷却通道油温的影响。再次,在飞/推一体化视角下对主动冷却超燃冲压发动机超温问题进行了研究,尤其是对超温所引起的飞行器“越飞越快”问题开展研究。首先在发动机开环控制条件下探讨调整飞行轨迹对冷却油温的影响。之后仿真复现了超温导致的飞行器“越飞越快”现象,并仿真验证了两种解决方案,一种是调整发动机供油策略,即抛油方案;另一种是改变飞行轨迹方案,在第二种方案种探讨了改变飞行轨迹降低气动热载荷以解决超温问题的可能性,最终得出了改变飞行轨迹,以在低空实现推阻平衡方案。最后,考虑飞/推一体化系统的性能和安全需求,进行了高超声速飞行器/主动冷却超燃冲压发动机一体化控制系统的设计与验证。设计了飞行器LQR控制器并设计了飞/推一体化控制回路,通过与无冷却超燃冲压发动机进行对比,得出一体化控制中考虑主动冷却的必要性以及主动冷却为一体化控制带来的特殊性。最后进行了低Ma下进气道裕度保护与推力切换控制仿真分析和高Ma下超温保护与推力切换控制仿真分析,结果表明,控制器控制效果良好,一体化控制系统设计合理、有效。

 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

 

【文章页数】：92 页

 

【学位级别】：硕士

 

文章目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

    1.1 课题研究背景和意义

    1.2 国内外研究现状

        1.2.1 主动冷却超燃冲压发动机控制研究现状

        1.2.2 高超声速飞行器/发动机一体化模型研究现状

        1.2.3 高超声速飞行器/发动机一体化控制研究现状

    1.3 本文要解决的问题

    1.4 论文的主要内容和章节安排

第2章 高超声速飞行器/主动冷却超燃冲压发动机一体化建模

    2.1 引言

    2.2 考虑主动冷却的飞/推一体化控制模型需求分析

        2.2.1 对主动冷却超燃冲压发动机模型的需求分析

        2.2.2 对吸气式高超声速飞行器模型需求分析

    2.3 考虑主动冷却的飞/推一体化模型结构

        2.3.1 吸气式高超声速飞行器模型

        2.3.2 主动冷却超燃冲压发动机模型

        2.3.3 主动冷却超燃冲压发动机进气道稳定裕度特性分析

        2.3.4 主动冷却超燃冲压发动机冷却油温特性分析

    2.4 飞/推耦合机理分析及一体化模型的建立

    2.5 本章小结

第3章 高超声速飞行器/主动冷却超燃冲压发动机耦合特性分析

    3.1 引言

    3.2 飞行器姿态和发动机工作状态之间的相互影响

        3.2.1 发动机工作状态对飞行器姿态的影响

        3.2.2 飞行器姿态对发动机工作状态的影响

    3.3 耦合特性对发动机性能的影响

        3.3.1 耦合特性对进气道性能的影响

        3.3.2 耦合特性对发动机性能的影响

    3.4 耦合特性对发动机安全的影响

        3.4.1 耦合特特性对进气道稳定裕度的影响

        3.4.2 耦合特性对冷却通道油温的影响

    3.5 本章小结

第4章 飞/推一体化视角下主动冷却超燃冲压发动机超温问题研究

    4.1 引言

    4.2 调整飞行轨迹对冷却油温的影响研究

        4.2.1 燃油当量比固定情况下的仿真分析

        4.2.2 燃油流量固定情况下的仿真分析

    4.3 高Ma下高超声速飞行器“越飞越快”现象复现

        4.3.1 加速飞行时的“越飞越快”现象

        4.3.2 巡航飞行时的“越飞越快”现象

    4.4 高超声速飞行器高Ma下“越飞越快”解决方案研究

        4.4.1 调整发动机燃油供应策略方案

        4.4.2 调整飞行轨迹方案

        4.4.3 两种方案对比分析

    4.5 本章小结

第5章 高超声速飞行器/主动冷却超燃冲压发动机一体化控制及仿真分析

    5.1 引言

    5.2 考虑主动冷却的飞/推一体化控制方案设计

        5.2.1 飞行器高度跟踪和姿态稳定控制器设计

        5.2.2 发动机多目标协调切换控制

        5.2.3 飞/推一体化控制回路

    5.3 无冷却与主动冷却超燃冲压发动机一体化控制对比分析

        5.3.1 飞/推一体化控制中考虑主动冷却的必要性分析

        5.3.2 一体化控制下主动冷却超燃冲压发动机特殊性分析

    5.4 低Ma下进气道裕度保护与推力切换控制仿真分析

        5.4.1 仿真条件

        5.4.2 加速度指令为0.2g仿真结果

        5.4.3 加速度指令为0.3g仿真结果

        5.4.4 不同加速指令的对比分析

    5.5 高Ma下超温保护与推力切换控制仿真分析

        5.5.1 仿真条件

        5.5.2 仿真结果

    5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢

 

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]2019年国外高超声速飞行器技术发展综述[J]. 张灿,林旭斌,刘都群,胡冬冬,叶蕾.  飞航导弹. 2020(01)

[2]临近空间高超声速飞行器发展及关键技术研究[J]. 王鹏飞,王光明,蒋坤,李庆辉.  飞航导弹. 2019(08)

[3]2018年度国外高超声速飞行器发展动向[J]. 廖孟豪.  飞航导弹. 2019(03)

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博士论文

 

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[2]考虑飞/推耦合特性的超燃冲压发动机控制方法研究[D]. 姚照辉.哈尔滨工业大学 2010

 

硕士论文

 

[1]正癸烷高温裂解对其燃烧性能的影响研究[D]. 刘文超.哈尔滨工业大学 2016

[2]考虑攻角约束的高超声速飞行器纵向姿态控制[D]. 张峰.哈尔滨工业大学 2014

[3]飞/推一体化下的冲压发动机调节/保护控制方法研究[D]. 郝欣悦.哈尔滨工业大学 2014

[4]高超声速飞行器建模及控制方法研究[D]. 安昊.哈尔滨工业大学 2013

[5]超燃冲压发动机推力控制系统设计[D]. 高耸.哈尔滨工业大学 2010

[6]超燃冲压发动机最大推力稳态优化控制方法研究[D]. 和舒.哈尔滨工业大学 2008

[7]冲压发动机推力控制系统研究[D]. 杨朗.哈尔滨工业大学 2006