面向控制的宽包线吸气式运载器精细耦合理论模型研究

Existing analytical models take less account of important physical characteristics such as thermodynamic parameters, engine modes conversion and internal-external flow coupling. These models are not suitable for the flight characteristics of wide envelope, and do not reflect the coupling characteristics of internal and external flow. As a result, the analysis model is greatly uncertain. The controller based on this model is difficult to achieve the purpose of safety control, and a new control-oriented model is urgently needed. To this end, this project proposes to establish a fine theoretical model which is suitable for wide envelope flight and has important physical characteristics. The research includes three aspects: 1) Study the theoretical model of wide envelope flight aerodynamics and propulsion, propose a coupling solution strategy of internal and external flow and establish the fine coupling theoretical model; 2) Exploring new methods of coupling measure and uncertainty analysis; 3) Simulation analysis and model validation. From this project research: 1)Obtain a New Control-Oriented Model;2)Measure the static coupling characteristics of aerodynamic/propulsion/control, and understand the influence of coupling characteristics on flight state and motion mode;3)Proposed a new method of model uncertainty analysis, calculate uncertainty boundaries and measure the impact of uncertainty on flight dynamics.The research is expected to be applied to the design of control system for wide envelope air-breathing launch vehicle, and have good academic value and engineering application prospects.

针对吸气式运载器宽速域大空域的飞行特点以及机体/组合动力一体化所导致的内外流耦合特性，已有的分析模型较少考虑了诸如热力学参数变化、发动机模态转换以及内外流耦合等重要的物理特性，使得分析模型存在较大不确定性，基于此模型设计的控制器难以达到安全控制的目的，迫切需要一种新的面向控制模型。为此，本项目提出建立适应宽包线飞行且内涵重要物理特性的精细理论模型，开展的研究内容：1）研究宽域飞行气动、推进理论模型，提出内外流一体化耦合求解策略，建立精细耦合理论模型；2）探索耦合测度与不确定性分析新方法；3）仿真分析与模型验证。通过研究：获得面向控制的新模型，测度气动/推进/控制的静态耦合特性，认识耦合特性对飞行状态以及运动模态的影响规律；提出模型不确定性分析新方法，计算不确定性边界，度量不确定性对飞行动态的影响。成果有望应用于宽包线吸气式运载器控制系统设计，具有学术研究价值和工程应用前景。

围绕国家重大战略需求，聚焦工程瓶颈问题深入开展空天飞行器动力学建模理论与方法研究，以此项目为牵引，发表学术论文5篇，出版学术专著1本，以第1完成人获得军队科技进步二等奖 1项。针对吸气式运载器宽速域大空域的飞行特点以及机体/组合动力一体化所导致的内外流耦合特性，已有的分析模型较少考虑了诸如热力学参数变化、发动机模态转换以及内外流耦合等重要的物理特性，使得分析模型存在较大不确定性，基于此模型设计的控制器难以达到安全控制的目的，迫切需要一种新的面向控制模型。为此，本项目提出建立适应宽包线飞行且内涵重要物理特性的精细理论模型，开展的研究内容：1）研究宽域飞行气动、推进理论模型，提出内外流一体化耦合求解策略，建立精细耦合理论模型；2）探索耦合测度与不确定性分析新方法；3）仿真分析与模型验证。通过研究，获得了面向控制的新模型，测度气动/推进/控制的静态耦合特性，认识耦合特性对飞行状态以及运动模态的影响规律；提出模型不确定性分析新方法，计算不确定性边界，度量不确定性对飞行动态的影响。成果应用于宽包线吸气式运载器控制系统设计，具有很好的学术价值和工程应用前景。