近空间高超声速飞行器结构可变形/热防护一体化和主动控制研究

近空间高超声速可变体飞行器是目前国际上空间技术竞争的焦点之一，其可变形/热防护一体化设计、力学分析与主动控制是该领域国际上研究的前沿课题。本项目交叉融合力学、控制、机械设计等学科和领域，采用机构设计、热力学分析和主动控制的一体化研究方法，原创性地开发一套具备承载能力、热防护能力、大挠度弯曲变形能力、可控制能力的多功能可变形/热防护一体化机构设计方案，重点围绕不确定性问题对其开展动力学分析与主动控制研究，揭示可变体机构的热防护原理、变形的力学机理与控制机制以及参数不确定性对动力学响应和控制精度影响的内在规律，提出高阶复杂不确定性系统的降阶方法及其验证方法，解决高维复杂不确定性可变体机构的鲁棒H∞控制难题，实现可变体机构主动控制下变形过程的动态仿真，提升我国该领域的源头技术自主创新能力，为我国未来近空间高超声速可变体飞行器的设计与开发提供理论基础和技术支持。

近空间高超声速飞行器是目前国际上空间技术竞争的焦点之一，具有大挠度弯曲变形能力的可变体飞行器一直是最受重视的基本形式之一，也是亟待研究的前沿课题。. 本项目开发了一套具有原创性的具备承载能力、热防护能力、大挠度弯曲变形能力、可控制能力的多功能可变体/热防护一体化设计方案。在设计方案的基础上针对热致变形将影响飞行器的正常工作问题，提出了一种通过控制结构温度场抑制热变形以及振动的方法，给出了控制热流求解策略和算法，结果表明利用本方法可有效地抑制和控制薄壁结构的热变形及振动问题。对基于机翼蒙皮及薄壁机身的板壳结构模型采用有限元方法研究了板壳结构大挠度弯曲变形几何非线性问题，并发展了复合时间积分算法对板壳结构的非线性动力学行为进行求解，数值结果表明所发展的方法对板壳结构大挠度变形及动力学行为能进行高效地分析。对多体机构系统建立了基于四元数姿态描述的空间多体动力学系统模型，发展了求解空间多体系统违约问题的几何消去法，解决了由于欧拉参数描述空间姿态带来的质量矩阵奇异性问题。对具有传感器和驱动器功能的智能板壳结构提出了位移节点、温度节点和电势节点分开设立的热力电耦合单元模型，揭示了热力电耦合问题对驱动位移产生影响的内在机制。针对小区间参数不确定性问题及降阶难题，基于平衡降阶、一阶泰勒展开以及区间算法提出了一整套求解降阶系统不确定性问题的计算方法，结果显示对于小区间参数不确定性系统，平衡降阶方法涉及的变量和矩阵区间分析中一阶泰勒展开具有非常好的精度。研究了一种新的鲁棒H∞控制设计策略，为解决区间交集问题给出了一种简单而切实可行的排序矩阵确定方法，结果表明将鲁棒H∞控制理论和不确定系统的降阶方法结合的研究策略是可行和实用的，可用于可变体飞行器的鲁棒控制策略中。. 通过上述关键基础科学问题的研究，为我国近空间高超声速可变体飞行器的设计与开发提供了理论基础和科学依据。