近空间可变翼飞行器小翼最优伸缩策略研究

发布时间：2020-05-11 20:33

【摘要】：近空间可变翼飞行器(Near-space Morphing Vehicle,NMV)工作于大气层和近空间中,由于机体构型的特殊性,可通过改变机翼外形从而改变飞行器的气动参数以保证其气动舵面、发动机在不动或少动的情况下按照指定的性能指标完成相关飞行。因此,近空间飞行器通过小翼的伸缩不仅可增强机动性,而且可节约大量能量,所以近空间可变翼飞行器是航空航天领域研究的重点和热点。本文将从飞行器整体建模、小翼伸缩模型气动参数分析、爬升段小翼伸缩优化指标与优化策略的建立、小翼伸缩多目标优化等方面进行研究,具体如下:首先,根据国内外公布的飞行器模型数据及实验室现有的研究成果,考虑到飞行器不同高度大气环境、不同阶段下的发动机推力,结合可变翼伸缩气动特性影响等特点,建立具有可伸缩小翼的近空间飞行器非线性模型,并针对复杂多变的爬升约束条件,建立了可变翼飞行器爬升走廊,为后续优化研究奠定了基础。其次,研究了近空间可变翼飞行器爬升段最优控制与轨迹优化问题,针对近空间可变翼飞行器小翼伸缩提出各项性能指标及优化策略。考虑到高斯伪谱法在最优控制及轨迹优化具有良好的收敛性和优化效果。针对小翼伸缩所建立的最省燃油、最少控制量输出、最短爬升时间等优化模型进行了相应的仿真实验,得到各优化指标下的最优爬升轨迹及最佳小翼伸缩状态,进而说明不同的小翼伸缩策略具有不同的飞行收益。然后,考虑到优化过程中由于选择配点数增多导致计算量大、计算耗时长、优化精度低等问题,提出了基于改进的多段高斯伪谱法小翼伸缩整体优化策略。根据飞行器飞行及发动机状态,将爬升模态划分成三个爬升子段,并建立分段后的小翼伸缩最省燃油优化模型及整体优化策略。通过数值仿真得到整个爬升各子段的最少耗油爬升轨迹及小翼伸缩状态,改进后的优化方法,在计算时长和优化精度等整体性能上得到了进一步的提升。最后,鉴于围绕近空间可变翼飞行器在多评价体系内如何改变伸缩翼达到最优飞行状态这一问题。建立了小翼伸缩多目标优化模型,提出将传统加权求和法与先进的进化算法相结合,设计了基于个人偏好的多目标优化进化算法,并对所建立的模型进行了仿真实验,得到了多评价体系下,且满足个人偏好的最佳飞行状态曲线及小翼伸缩状态量,为今后可变翼飞行器在多目标下小翼伸缩状态爬升飞行提供了有效的参考价值。综上,本文针对近空间可变翼飞行器在飞行器建模、小翼伸缩模型气动参数分析、爬升段小翼伸缩优化指标及优化策略的建立、小翼伸缩多目标优化等方面问题进行仔细深入的研究,给出了爬升段不同参考性能下的飞行轨迹与最佳小翼伸缩策略,为后续可变翼飞行器的飞行研究提供了一定的基础。
【图文】：

小翼,近空间,飞行器,三视图

置垂直的方向舵，与一般飞行器相比，在机翼翼梢增设可伸缩小翼，其构型布局如图 2.1 所示其中，升降舵控制俯仰姿态，方向舵控制偏航姿态，可伸缩小翼用于改善升阻力特性，提高飞行效率。通过小翼伸缩变化，，可以增加起飞爬升段时的升力，减小近空间区域超高速飞行的阻力，提高飞行效率，节省能耗。当飞行器起飞后，在超声速前，小翼收回主翼中，减小受力面积，从而使阻力减小。可伸缩小翼通过改变机翼外形增强了飞行器的自适应能力，可更好地实现水平起降，快速省油爬升飞行和高超声速远程巡航。

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图 2.4 可变翼伸缩前后的平面示意图近空间可变翼飞行器纵向运动模型近空间可变翼飞行器由于其质量在飞行过程中因为燃料大量燃烧而减少，特别在爬更为剧烈，增强了系统的时变特性。近空间飞行器的结构设计中带有可伸缩的小翼
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211;O224

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