【摘要】：近空間可變翼飛行器(Near-space Morphing Vehicle,NMV)工作于大氣層和近空間中,由于機(jī)體構(gòu)型的特殊性,可通過改變機(jī)翼外形從而改變飛行器的氣動參數(shù)以保證其氣動舵面、發(fā)動機(jī)在不動或少動的情況下按照指定的性能指標(biāo)完成相關(guān)飛行。因此,近空間飛行器通過小翼的伸縮不僅可增強(qiáng)機(jī)動性,而且可節(jié)約大量能量,所以近空間可變翼飛行器是航空航天領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文將從飛行器整體建模、小翼伸縮模型氣動參數(shù)分析、爬升段小翼伸縮優(yōu)化指標(biāo)與優(yōu)化策略的建立、小翼伸縮多目標(biāo)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究,具體如下:首先,根據(jù)國內(nèi)外公布的飛行器模型數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的研究成果,考慮到飛行器不同高度大氣環(huán)境、不同階段下的發(fā)動機(jī)推力,結(jié)合可變翼伸縮氣動特性影響等特點(diǎn),建立具有可伸縮小翼的近空間飛行器非線性模型,并針對復(fù)雜多變的爬升約束條件,建立了可變翼飛行器爬升走廊,為后續(xù)優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。其次,研究了近空間可變翼飛行器爬升段最優(yōu)控制與軌跡優(yōu)化問題,針對近空間可變翼飛行器小翼伸縮提出各項(xiàng)性能指標(biāo)及優(yōu)化策略�？紤]到高斯偽譜法在最優(yōu)控制及軌跡優(yōu)化具有良好的收斂性和優(yōu)化效果。針對小翼伸縮所建立的最省燃油、最少控制量輸出、最短爬升時(shí)間等優(yōu)化模型進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn),得到各優(yōu)化指標(biāo)下的最優(yōu)爬升軌跡及最佳小翼伸縮狀態(tài),進(jìn)而說明不同的小翼伸縮策略具有不同的飛行收益。然后,考慮到優(yōu)化過程中由于選擇配點(diǎn)數(shù)增多導(dǎo)致計(jì)算量大、計(jì)算耗時(shí)長、優(yōu)化精度低等問題,提出了基于改進(jìn)的多段高斯偽譜法小翼伸縮整體優(yōu)化策略。根據(jù)飛行器飛行及發(fā)動機(jī)狀態(tài),將爬升模態(tài)劃分成三個(gè)爬升子段,并建立分段后的小翼伸縮最省燃油優(yōu)化模型及整體優(yōu)化策略。通過數(shù)值仿真得到整個(gè)爬升各子段的最少耗油爬升軌跡及小翼伸縮狀態(tài),改進(jìn)后的優(yōu)化方法,在計(jì)算時(shí)長和優(yōu)化精度等整體性能上得到了進(jìn)一步的提升。最后,鑒于圍繞近空間可變翼飛行器在多評價(jià)體系內(nèi)如何改變伸縮翼達(dá)到最優(yōu)飛行狀態(tài)這一問題。建立了小翼伸縮多目標(biāo)優(yōu)化模型,提出將傳統(tǒng)加權(quán)求和法與先進(jìn)的進(jìn)化算法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了基于個(gè)人偏好的多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法,并對所建立的模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),得到了多評價(jià)體系下,且滿足個(gè)人偏好的最佳飛行狀態(tài)曲線及小翼伸縮狀態(tài)量,為今后可變翼飛行器在多目標(biāo)下小翼伸縮狀態(tài)爬升飛行提供了有效的參考價(jià)值。綜上,本文針對近空間可變翼飛行器在飛行器建模、小翼伸縮模型氣動參數(shù)分析、爬升段小翼伸縮優(yōu)化指標(biāo)及優(yōu)化策略的建立、小翼伸縮多目標(biāo)優(yōu)化等方面問題進(jìn)行仔細(xì)深入的研究,給出了爬升段不同參考性能下的飛行軌跡與最佳小翼伸縮策略,為后續(xù)可變翼飛行器的飛行研究提供了一定的基礎(chǔ)。
【圖文】：

置垂直的方向舵，與一般飛行器相比，在機(jī)翼翼梢增設(shè)可伸縮小翼，其構(gòu)型布局如圖 2.1 所示其中，升降舵控制俯仰姿態(tài)，方向舵控制偏航姿態(tài)，可伸縮小翼用于改善升阻力特性，提高飛行效率。通過小翼伸縮變化，，可以增加起飛爬升段時(shí)的升力，減小近空間區(qū)域超高速飛行的阻力，提高飛行效率，節(jié)省能耗。當(dāng)飛行器起飛后，在超聲速前，小翼收回主翼中，減小受力面積，從而使阻力減小�？缮炜s小翼通過改變機(jī)翼外形增強(qiáng)了飛行器的自適應(yīng)能力，可更好地實(shí)現(xiàn)水平起降，快速省油爬升飛行和高超聲速遠(yuǎn)程巡航。

圖 2.4 可變翼伸縮前后的平面示意圖 近空間可變翼飛行器縱向運(yùn)動模型近空間可變翼飛行器由于其質(zhì)量在飛行過程中因?yàn)槿剂洗罅咳紵鴾p少，特別在爬更為劇烈，增強(qiáng)了系統(tǒng)的時(shí)變特性。近空間飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中帶有可伸縮的小翼
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V211;O224

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本文編號：2659023