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日期: 2016-03-31 | 來源: 科學網 | 有0人參與評論 | 字體: 小 中 大
高超聲速飛行器是壹種大空域、超高速、長距離、高精度的新型飛行器。其結構特性、動力學特性、飛行特性、環境特性比壹般飛行器更為復雜，且存在較大的相互耦合；機身的材料、動力、防護特性，以及外部湍流、轉捩等環節都將對飛行器的飛行性能和控制性能產生很大的影響。
基本概念
高超聲速飛行器是指飛行速度超過伍倍聲速的飛機、導彈、炮彈等有翼或無翼飛行器。該類飛行器包括高超聲速導彈、空天飛機、高超聲速偵察機、高超聲速運輸機、可重復使用天地往返飛行器等。
高超聲速技術是集航空、航天、材料、氣動、控制、優化和計算機於壹體的多學科交叉研究領域，高超聲速飛行器涉及發動機、結構外形設計、材料研制、氣動受力分析、控制算法開發、優化和計算機等眾多技術，是航空航天技術的戰略制高點。這種飛行器在距離地面20~100km的空域執行特定任務，它既有航空技術的優勢，又有航天器不可比擬的優點，既能在大氣層內以高超聲速進行巡航飛行，又能穿越大氣層做再入軌道運行，具有很高的軍事和民用價值，是未來進入空間並控制空間、保證控制優勢的關鍵支柱，同時也是對空間進行大規模開發的載體，是壹種具有廣闊開發前景的飛行器。
高超聲速飛行器的整體布局采用機身-發動機壹體化的特殊設計結構，使得各個子系統之間具有強耦合性和強非線性；大空域、長距離的復雜飛行環境，給系統帶來更多的不確定影響。因而，高超聲速飛行器與傳統飛行器相比，是壹個帶有強非線性、強耦合、快時變、不確定等特性的復雜對象。
近半個世紀以來，由於巨大的軍事價值和潛在的經濟價值，高超聲速飛行技術受到美國、澳大利亞、俄羅斯、德國、法國、印度、日本和英國等航空航天強國的廣泛重視和深入研究,積累了大量成功和失敗的經驗，人類對高超聲速技術的認識不斷深化。
高超聲速飛行器特點
高超聲速飛行器的特點主要體現在模型結構非線性、模型參數非線性、約束條件非線性等引起的強非線性特性；機體發動機壹體化設計、流固耦合、彈性體與剛體間的耦合、通道耦合等引起的強耦合特性；大空域飛行、高超聲速流、質量變化等引起的快時變特性；未建模動態、數據稀缺、彈性變形、隨機幹擾等引起的不確定特性肆個方面。
高超聲速飛行器特征1.強非線性特點
（1）模型結構非線性：該類飛行器氣動布局特殊，數學模型結構上表現為高階的非線性微分方程。高超聲速飛行器的速度、航跡角、高度、攻角、俯仰角速度等狀態變量的導數是飛行狀態的非線性函數，體現了模型結構的非線性。此外，飛行器結構彈性是兩端自由的Euler-Bernoulli梁偏微分方程模型。在該模型裡，飛行器前機身的形變將會影響超燃沖壓發動機的進氣管條件、推力、升力、阻力和轉矩，且這種影響也是通過非線性的形式進行描述的。完整的飛行器橫縱向模型，在縱向模型的基礎上，又加上了叁個橫向自由度的運動，且這種橫向運動也是通過微分方程的形式進行描述的，整個飛行器系統模型，相對於縱向模型，其表現出來的非線性更強。
（2）模型參數非線性：
模型結構中的參數，主要是升力、阻力和推力，是依賴於飛行狀態的高階多元非線性函數。升力系數、阻力系數及發動機推力系數，是隨馬赫數和攻角變化的非線性函數，當攻角在小范圍變化時，可以對氣動力采用近似線性化的方法進行處理；當攻角在大范圍變化時，只能通過非線性的方式來描述氣動力系數與飛行姿態的內在聯系。當考慮到高超聲速飛行器機體發動機以及通道間耦合影響時，飛行器的氣動力系數在與飛行器姿態相關的同時，與飛行器的控制舵面也存在著很大關系，使得飛行器在綜合力學特性上表現為多個參數之間相互交叉影響的非線性關系。
（3）約束條件非線性：
高超聲速飛行器在飛行過程中，受到壹些約束條件的影響，如飛行過程中的熱流、動壓約束、過載約束以及執行器飽和等，這些約束是通過飛行狀態的非線性函數來進行定量描述的。鑒於高超聲速飛行器的強非線性特性，很難使用傳統的線性模型表述其運動規律，因此建立非線性模型是高超聲速技術發展的關鍵。
2. 強耦合特點（1）機體發動機壹體化設計：
為獲取足夠大的推力，提高升阻比以及減少燃料負載，高超聲速飛行器采用機體/發動機壹體化結構，飛行器的壹體化結構使得機體與發動機間存在著強烈的耦合影響。機體對發動機的影響主要體現在機體的前體上，前體作為發動機進氣道的壓縮面，氣流經前體初步壓縮後由進氣道流入發動機，當高超聲速飛行器的前體發生變化時，將導致飛行器攻角的變化，而攻角變化將影響發動機燃燒動力學特性，從而對推進系統的性能產生重要影響。此外，推力和進氣道的壓力也受俯仰控制舵面的影響，隨著俯仰角速度的改變，發動機的燃流率和擴散率也相應發生改變。發動機對機體的影響主要體現在高超聲速飛行器的後體上，它包括兩部分內容：第壹部分是由於發動機推力不過質心而產生的額外俯仰力矩；第贰部分是機體後緣作為發動機尾噴管的壹部分，發動機尾噴管產生的推力氣流，會影響機體後緣的流場分布，導致飛行器後體產生額外的升力，後體升力的增加進壹步會造成機頭向下傾斜，產生低頭力矩，給機體的穩定控制帶來困難。
（2）流固耦合：
在分析高超聲速飛行器的流體力學與固體力學相互交叉作用時也將體現強烈的耦合作用，這種耦合是壹種流體加熱和固體傳熱的耦合現象。當流體以高速流過機身時，流體通過壓縮激波和摩擦，在機體表面形成具有較高梯度的邊界層，產生很大的熱流，作用在機體表面，隨著機體溫度的升高，會引發機身壹定程度的變形，變形的機體在流體載荷的作用下又會進壹步產生相應的顫振，反過來機身的變形以及機身溫度的變化又影響流體的流場，從而改變流體載荷的分布和大小，進而改變氣動加熱，也使得流體對機身的作用力產生相應的變化，而且這種耦合影響不能通過簡單的線性關系來描述，是壹種非線性耦合。高溫效應以及黏性效應就是由於高速流體作用在機體而產生的。
（3）彈性體與剛體間的耦合：
飛行器高速飛行時，流體在流經機身時，會產生氣動熱，氣動熱本身會降低機體的剛度，導致機身發生壹定程度的彈性變形，機身的彈性變形進壹步導致高超聲速飛行器攻角在壹定范圍內的擾動，引起飛行器升力、阻力以及發動機推力的變化，同時，機身彈性變形引起飛行器周圍流場的變化，進壹步加劇飛行器受力的改變，飛行器彈性體產生的上述影響，都將通過飛行器受力的變化影響剛體的運動。反過來，剛體運動狀態的改變，如飛行速度、攻角等的變化，將直接影響飛行器的受力，飛行器受力的變化，將對彈性體的變形產生進壹步的影響。
（4）通道耦合：
高超聲速飛行器通道間的耦合主要是指飛行器俯仰通道、偏航通道及滾轉通道叁通道運動模態之間的耦合。飛行器所受的作用力（主要包括氣動力、發動機的推力及飛行器自身的重力），是影響每個通道的主要因素，由於這些力的存在，飛行器在不同姿態下受力情況就有很大的差異，致使高超聲速飛行器的任何壹個通道的運動都會影響另外兩個通道的受力與運動。把這種影響強行看成很小而加以忽略只在特殊的飛行狀態（巡航飛行）下才能近似成立。但是，當高超聲速飛行器在做機動飛行時（如高速轉彎），由於升降舵和偏航舵的偏轉會導致飛行器的俯仰角、攻角、速度及相應的控制舵面發生快速的變化，而飛行器產生的滾轉力矩是依賴這些狀態量及控制量的函數，從而最終導致飛行器滾轉通道的滾轉力矩的變化，影響滾轉通道的穩定性；另外，當飛行器實現滾轉機動飛行時，會造成飛行器周圍流場的變化，進而導致飛行器受到的氣動力改變，從而對俯仰通道和偏航通道產生影響。在建模的過程中，必須深入考慮這些耦合作用的影響，將其以合適的形式反映在數學模型中，才能輔助地面試驗和研究工作的開展，使得控制工作者更好地了解高超聲速飛行器特性。
3.
快時變特點
（1）大空域飛行引起的時變：
由於高超聲速飛行器飛行過程中跨大空域、高速飛行的特點，以及飛行器高低空氣動力特性的巨大差異，導致飛行器的動力學特征和模型參數在飛行中變化非常顯著，體現著飛行器氣動特性和模型參數的時變性。
（2）高超聲速流引起的時變：
高超聲速飛行器在大氣層內飛行時，由於高超聲速氣流引起的局部流場中激波與邊界層的幹擾，導致飛行器表面上的局部壓力及熱流率的變化，進壹步加劇了氣動力的時變特性。
（3）質量變化引起的時變：
高超聲速飛行器耦合產生的彈性形變，導致飛行器質量分布不斷改變，再加之飛行器燃料的快速消耗，都將造成飛行器質心具有壹定的時變特性，而慣性矩是飛行器質量的時變函數，因此飛行器質心的時變特性會使得整個飛行器系統體現壹定的時變。傳統的單壹平衡點形式的高超聲速飛行器數學模型很難適應這種快時變特性，因此需要研究能反映真實特性的高超聲速飛行器數學模型。
4.
不確定特點
（1）未建模動態引起的不確定：
主要包括高溫效應及黏性效應導致的邊界層增長，以及非標准大氣和不穩定大氣效應。邊界層的變化，導致飛行器的有效氣動表面不再是機體表面，而是機體表面加上邊界層，而邊界層的變化難以用精確的解析形式進行描述。因此，通常將邊界層對控制的影響，通過氣動力不確定的形式進行處理。高超聲速飛行器實際飛行過程中，由於大氣環境的復雜多變，將導致采用的標准大氣模型並不能反映真實的大氣環境，在控制上由於非標准大氣和不穩定大氣效應，經常被處理為升力和阻力的不確定進行描述。
（2）飛行試驗數據稀缺引起的不確定：
鑒於高超聲速飛行器空氣動力學現象的復雜性，除了理論分析和數值計算，大型風洞試驗已經成為研究氣動特性最為重要的手段之壹，但是，由於地面硬件測試設備的局限，以及其他技術難題未解決使得無法真實地模擬飛行器的飛行試驗，致使空氣動力學試驗數據稀疏，利用風洞數據建立的空氣動力學數據庫存在著壹定程度的不確定性。
（3）彈性變形引起的不確定：
高超聲速飛行器由於自身的彈性結構及高超聲速飛行的特點，飛行過程中勢必會引起機身的彈性變形，壹方面，機身的彈性變形會導致飛行器周圍流場的變化，影響飛行器的受力不均勻，存在壹定的擾動，在實際飛行控制中，可以將其作為不確定進行處理；另壹方面，機身的彈性變形也會導致飛行器攻角在壹定范圍內的擾動，由於飛行器的氣動力及發動機推力是與攻角相關的函數，攻角引起的擾動在控制上將間接表現為飛行器升力、阻力以及推力的不確定。
（4）隨機幹擾引起的不確定：
諸多隨機幹擾因素對高超聲速飛行器的飛行狀態有著重大的影響。燃料的激蕩性、燃料消耗所引起的飛行器的質量變化，導致飛行器的質量重新分布進而引起旋轉速度幹擾，影響到舵機和其他力矩。此外，飛行過程中的大動壓、湍流和轉捩會引起舵面顫振，以及外界的陣風幹擾，進壹步加重了模型和參數的不確定性以及隨機幹擾等控制上的問題。這些非模型因素相當復雜，且會影響高超聲速飛行器的穩定性，將其作為飛行控制中的不確定是處理該影響的壹種途徑。如何在這些不確定情況影響下，建立安全可靠的高超聲速飛行器數學模型是高超聲速技術發展的關鍵。
高超聲速飛行器應用前景
高超聲速飛行器使得人類實現了高超聲速飛行的夢想，大大縮減了高空長距離飛行所需的時間，將成為未來進入空間飛行的高可靠性飛行器，先進的吸氣式超燃沖壓發動機、獨特的外形設計、高空長距離的飛行能力，使得低成本太空交通以及全球可達成為可能，該項技術的發展在進入空間、占領空間控制權，並對空間進行大規模開發起著至關重要的作用，在工業和軍事領域都將受到廣泛的應用。高超聲速技術是21世紀航空航天領域戰略制高點，具有快速打擊和遠程投送能力，成為當今世界強國關注的戰略發展方向，其科學問題具有前瞻性、戰略性和帶動性。
在軍事上，高超聲速飛行器的開發，將帶領快速精確打擊武器時代的到來。全球可達、遠距離精確打擊將是高超聲速武器的重大優勢。由於其可以在大氣層內自行加速至5Ma以上，所以可以具有更快的飛行速度和更高的機動性。高超聲速武器在打擊目標上具有傳統武器難以比擬的優勢，是壹把快、准、狠的尖刀，攔截難度高，破壞力強，是近空間飛行領域的霸主，具有很大的戰略意義。
在民用上，壹方面高超聲速飛行技術將成為快速運輸的裡程碑式成果，全球快速可達可以大大拉近不同地域之間的人員和物資距離，提升運輸效率，為全球經濟發展提供新的增長點，並改善人類的生活方式及生活水平。由於其速度上無可比擬的優勢，高超聲速飛行器在民用運載上將帶來極大的經濟效益。另壹方面，高超聲速飛行器的開發，將使得高效率、低成本的空間利用成為可能。高超聲速飛行器具有對地球高層大氣和外層空間所進行探測的能力，為將來的星球探測、星球之間的運輸提供服務。高超聲速飛行器在空間開發上具有強勁的實力，為深空探測提供了更加可靠、可控性更強的工具，同時使得空間移民、開辟地球外新家園成為可能。
978-7-03-046830-7
《高超聲速飛行器建模與模型驗證》從高超聲速飛行器的基本概念、研究歷程、應用前景入手，深入研究了國際著名研究機構和實驗室公開的典型模型，在此基礎上分析了模型特性，給出了設計控制器的應用實例。采用CFD和機理方法建立了帶有強非線性、強耦合及彈性特性的高超聲速飛行器模型。給出了面向控制需求的數據擬合方法和線性/非線性模型降階方法。建立了高超聲速飛行器模型驗證體系，給出了定性、定量多種角度的完整模型驗證策略，從時域、頻域、安全性叁個角度給出全面客觀的模型評價。- 新聞來源於其它媒體，內容不代表本站立場！
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