近空间可变翼飞行器小翼最优伸缩策略研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 近空间飞行器
•     1.1.2 近空间可变翼飞行器
•   1.2 近空间可变翼飞行器国内外研究现状
•     1.2.1 近空间可变翼飞行器模型特点
•     1.2.2 近空间可变翼飞行器相关技术研究现状
•   1.3 本文的主要内容及工作安排
• 第二章 近空间可变翼飞行器建模与爬升走廊建立
•   2.1 近空间可变翼飞行器气动布局构型
•   2.2 近空间可变翼飞行器模型建立
•     2.2.1 大气环境模型
•     2.2.2 发动机推力模型
•     2.2.3 空气动力学模型与小翼伸缩模型
•     2.2.4 近空间可变翼飞行器纵向运动模型
•   2.3 近空间可变翼飞行器气动特性分析
•     2.3.1 小翼伸缩多变量气动参数模型
•     2.3.2 小翼伸缩气动参数分析及插值处理
•     2.3.3 小翼伸缩升阻比特性研究
•   2.4 近空间可变翼飞行器各约束条件下爬升走廊建立
•     2.4.1 爬升段约束条件研究
•     2.4.2 飞行爬升走廊建立
•   2.5 本章小结
• 第三章 近空间可变翼飞行器小翼伸缩优化建模与仿真
•   3.1 最优控制与轨迹优化问题描述
•   3.2 伪谱法基本原理与实现
•     3.2.1 伪谱法基本原理
•     3.2.2 伪谱法具体实现
•   3.3 爬升段小翼伸缩各性能指标与优化策略建立
•     3.3.1 爬升段小翼伸缩各性能指标建立
•     3.3.2 爬升段小翼伸缩优化策略建立
•   3.4 爬升段小翼伸缩优化仿真分析
•     3.4.1 最省燃料小翼伸缩优化仿真分析
•     3.4.2 最少控制量输出小翼伸缩优化仿真分析
•     3.4.3 最短爬升时间小翼伸缩优化仿真分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 基于改进的多段高斯伪谱法小翼伸缩优化
•   4.1 多段优化问题描述
•   4.2 近空间可变翼飞行器爬升子段划分
•   4.3 近空间可变翼飞行器爬升多子段小翼伸缩优化模型建立
•     4.3.1 爬升多子段小翼伸缩优化建模
•     4.3.2 基于改进的多子段小翼伸缩优化策略算法
•   4.4 爬升多子段最省燃料小翼伸缩仿真分析
•     4.4.1 优化参数设计
•     4.4.2 多段优化仿真结果分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 近空间可变翼飞行器小翼伸缩多目标优化
•   5.1 多目标优化问题描述
•   5.2 近空间可变翼飞行器小翼伸缩多目标优化模型建立
•     5.2.1 变量约束
•     5.2.2 优化目标函数
•   5.3 近空间可变翼飞行器小翼伸缩多目标优化模型求解
•     5.3.1 多目标优化算法概述
•     5.3.2 基于偏好的多目标优化进化算法求解设计
•   5.4 仿真结果分析
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐文萤

导师: 江驹

关键词: 近空间可变翼飞行器,小翼伸缩,最优控制,高斯伪谱法,分段优化,多目标优化

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,力学,航空航天科学与工程

单位: 南京航空航天大学

分类号: V211;O224

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000194

总页数: 90

文件大小: 2311K

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