面向控制的近空间高超声速飞行器动力学建模与验模

Aimed at meeting the urgent demand for hypersonic vehicles dynamic model when analyzing dynamic characteristics and designing flight control system for near-space hypersonic vehicles, this project researches mainly on hypersonic vehicles aerodynamics in the environment that gas flow is high-altitude, high-speed and unsteady. After research achievements of aerodynamics and control theory are integrated, dynamic modeling method that really describes dynamic characteristics of near-space hypersonic vehicles and new model validation method of dynamic model in poor experimental conditions are explored. Control-oriented vehicle dynamic model is built and model confidence is assessed to lay the foundation for vehicles dynamic characteristics analysis and flight control system design. The mentioned achievements provide theoretical guidance and technical support for theory research and engineering design of near-space hypersonic vehicles flight control systems in our country. In addition, the control theory research in our country is developed and control theory and engineering subject is promoted.. Integration project groups approach is employed and experts in the fields of control theory and aerodynamics are gathered. This project integrates research achievements of major projects about control and aerodynamics and some cultivation projects in major research plan. After new methods and approaches are employed to make the mentioned achievements extracted and sublimated, source innovation is promoted and integration sublimation is achieved.

本项目以近空间高超声速飞行器为背景，以满足其动力学特性分析和飞控系统设计研究中对动力学模型的迫切需求为目标，集成气动和控制方向的研究成果，重点研究高空、高速、非定常流动气体环境下髙超声速飞行器的气动特性，探索真实描述近空间高超声速飞行器动力学特性的动力学建模方法和恶劣实验条件下的动力学模型验证新方法，给出面向控制系统设计的飞行器动力学模型及其可信度评估，为该飞行器动力学特性分析、飞行控制系统设计奠定基础。为我国近空间高超声速飞行器飞控系统设计方法研究，乃至工程设计提供理论指导和技术支持，促进我国控制理论研究的进展，推动控制理论与控制工程等学科的发展。. 研究采取集成项目群的方式，聚集控制和气动领域的专家队伍，借鉴、集成重大研究计划中控制和气动方向重点项目及部分培育项目的研究成果，通过引入新的理论与方法，实现重大研究计划项目研究成果的不断提炼和升华，促进源头创新，达到集成升华

本文主要是基于一种新的高超声速相似律使用模型迁移理论对具有相似构型的临近空间高超声速飞行器进行建模，并使用灰色系统理论评估迁移得到动力学模型的可信度。传统的飞行器动力学建模主要是通过大量的地面风洞吹风实验获取相关气动参数，再利用实航飞行试验数据对其进行校正。然而高超声速飞行器的研发是一个小批量、多批次产品研发过程，并且受目前技术条件的限制, 使得近空间高超声速飞行器建模与验模的周期长、费用大。本文在研究临近空间高超声速飞行器气动特性的基础上，给出了评估高超声速飞行器间气动构型相似度的方法；并指出当飞行器气动外形间的相似度大于0.8时可以使用模型迁移方法对新飞行器进行建模。为了探索侧滑角不为零时具有相似构型的飞行器气动参数间的关系，本文给出了一种新的高超声速相似律；相似构型的飞行器间粘性流的影响可以通过偏差矫正时，两个满足高超声速相似律的飞行器的气动参数间满足线性关系。当其中一个飞行器的气动参数已知时，另外一个飞行器的气动参数可以通过输入输出偏差矫正的方法获得; 这样只需对新飞行器做微量的实验就可以获得其完整的动力学模型，从而达到减小试验成本缩短建模周期的目标。针对小样本数据下高超声速飞行器模型评估的问题，借助灰色系统理论对模型的可信度进行了深入分析研究。利用灰色关联分析方法对迁移得到的高超声速飞行器模型的气动数据进行了关联性分析，获得了迁移数据与真实数据之间的灰色关联度，为模型的进一步评估奠定基础。提出了灰色置信度和灰色置信区间的概念，并与Bootstrap方法相融合，建立了一套完整的灰色评估方法体系。将该方法应用于高超声速飞行器模型的评估中，获得了模型可信度的量化评估结果。通过仿真计算，证明了上述方法的合理性和有效性。本文研究的建模与可信度评估方法是对小样本数据下的高超声速飞行器建模与模型可信度评估的初探，对工程应用具有一定指导意义。