高超声速飞行器多学科一体化设计中的控制迭代问题研究

Hypersonic vehicle using the waverider configuration can effectively decrease the flight weight, improve the lift-drag ratio and enhance the carrying capacity in order to meet the multi-objective task demands. But on the other hand, the waveriding performance can worsen if the hypersonic vehicle deviates from the scheduled flight condition, and this makes it is difficult to ensure overall stability within a large flight envelope. If the control action can be introduced to the multidisciplinary integrated design of hypersonic vehicle earlier, waveriding stability throughout the large envelope can be guaranteed by coordinating the mutual relations between the overall configuration and the suitable control action. Accordingly, the generalized performance can be effectively improved and the flight envelope can be broadened. In this work, the control iteration issues with regard to the multidisciplinary integrated design are studied for hypersonic vehicle. First, the parameterization characterization and modeling issues are discussed. Then the relationship between the waverider configuration and flight stability is analyzed from the control standpoint. Furthermore, the design procedure of the control-integrated iteration is proposed such that the integrated design combined with the control action becomes an iterative process. Such research goals are to address the stability issues corresponding to continuously waveriding flight and to solve the technical problems in relation to the control saturation and bandwidth limitation. At the same time, the robust stability requirements in a large flight envelope can be satisfied for hypersonic vehicle. More importantly, the good research foundation and theoretical reserve can be provided for our own country to independently develop the aerospace planes in the future.

高超声速飞行器采用乘波构形后，可以有效减轻飞行重量、改善升阻比、提升携载能力，满足多目标的任务要求。但另一方面，具有乘波特性的高超声速飞行器在偏离设计状态时气动性能将会急剧恶化，难以确保其大包线内的全局稳定性能。若能将控制作用更早地融入到高超声速飞行器多学科一体化设计中，通过协调总体与控制的相互关系，以确保飞行器大包线乘波稳定，提升其整体性能，拓宽其飞行包线。本项目针对高超声速飞行器多学科一体化设计中的控制迭代问题进行研究，探讨高超声速飞行器的参数化表征与模型构建问题，从控制角度分析乘波构型与飞行稳定性之间的关系，给出融合控制的一体化迭代设计流程，将控制作用融合到高超声速飞行器多学科一体化设计中形成迭代，以解决高超声速飞行器连续乘波飞行的稳定性、控制输入饱和及带宽受限等问题，满足乘波体大包线鲁棒稳定要求，为今后我国自主研发空天飞机提供好的研究基础和理论储备。

高超声速飞行器与传统飞行器相比, 在飞行原理和气动布局上有显著的不同，具有较强的前瞻性、战略性和带动性，代表未来飞行器发展的重要方向之一，对高超声速飞行器关键技术进行深入研究显得十分必要，具有重要的研究意义。高超声速飞行器各个子系统之间存在深层次的相互作用，多学科强耦合特性要求高超声速飞行器的设计必须采用一体化设计技术。然而，如果直到高超声速飞行器达到一个相当成熟的构型，才引入控制作用，可能因不可控而导致飞行器重新设计，于是在概念设计阶段将控制作用融入到高超声速飞行器一体化综合设计中形成迭代，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。. 本项目针对高超声速飞行器复杂的运行环境以及强耦合的动力学特性，研究了多学科一体化设计中的控制迭代技术。首先，采用二次曲线和状态类型函数法将典型的高超声速乘波体外形进行了几何参数化，基于面元法和工程估算公式获取了高超声速飞行器力和力矩，结合虚功原理和弹性振荡理论，构建了高超声速飞行器复杂的刚弹耦合模型。接着，采用灵敏度分析策略得到了力和力矩的解析表达式，通过提取模型特征和降阶处理，将复杂的非线性动力学模型简化成了适合迭代设计的代理模型，基于模态的分析方法，探讨了高超声速飞行器动静态特性，对飞行器乘波稳定与动态特性进行了折衷分析，给出了适合的控制要求和约束条件。进一步，采用半保护映射原理设计了高超声速飞行器控制系统，构建了一体化设计的性能指标，从控制角度分析了乘波构型与飞行稳定性之间的关系，给出了一体化迭代设计流程，将控制作用融合到了高超声速飞行器多学科一体化设计中形成迭代，解决了高超声速飞行器在偏离设计状态时性能急剧恶化的难题，满足了乘波体大包线鲁棒稳定要求。. 高超声速飞行器多学科一体化设计中的控制迭代技术，将控制作用融入到一体化设计中形成迭代，实现融合控制的一体化迭代，为今后我国自主研发空天飞机提供了好的研究基础和理论储备。