一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，步骤为：(1)、初步设计空天飞行器总体方案；(2)、建立空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数化模型；(3)、以垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数为优化变量，以最大侧滑角、最大舵偏角等为约束条件，建立空天飞行器总体性能优化模型；(4)、按照试验设计方法计算空天飞行器总体性能，并分析试验结果；(5)、根据试验结果确定最优的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数；(6)、根据确定的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数，计算横航向操稳特性。本发明专利技术可解决与横航向操稳特性相关的飞行器总体优化设计问题，提高空天飞行器总体性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法


[0001]本专利技术属于飞行器总体设计领域，尤其涉及一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法。

技术介绍

[0002]以航天飞机为代表的空天飞行器是未来飞行器发展的主要方向之一。国外从航天飞机开始，先后启动了多个空天飞行器研制项目，其中比较著名的有：美国的X-33、X-34、X-38、X-40A/X-37/X-37B、Dream Chaser，欧洲的Hermes、USV、Phoenix、IXV，日本的HOPE-X，印度的RLV-TD等。
[0003]美国和前苏联的航天飞机由于系统组成复杂、运行成本极高，已经全部退出历史舞台。自航天飞机以后，新一代空天飞行器以降低运行成本为主要目标，多采用运载火箭罩内发射或助推器顶推发射的方式进入近地轨道或亚轨道，并采用先进的信息处理技术实现无人驾驶和自主离轨返回、无动力进场着陆。与航天飞机相比，新一代空天飞行器规模大大减小，质量通常不到其十分之一。
[0004]空天飞行器在大气层内无动力飞行，并最终在预定着陆场水平着陆，在此过程中必须满足动压、过载、热流、着陆速度、接地下沉率等的约束条件。由于规模和质量大大减小，这些约束条件对新一代空天飞行器而言更为苛刻。为了满足飞行任务要求和各种约束条件，在新一代空天飞行器设计过程中，必须密切关注总体性能提升。具体而言就是，在满足飞行任务要求和各种约束条件的前提下，通过飞行器总体优化设计，尽可能降低飞行器总质量、总功耗等的需求，从而提高承载能力、降低运行成本。
[0005]空天飞行器具有面对称气动外形，其横航向操稳特性(包括稳定性和操纵性)对总体性能有一定影响，如果设计不合理将导致飞行器横航向易于失稳、舵偏需求增加，或者使飞行器总质量、总功耗等的需求增加。由于空天飞行器飞行任务剖面较为固定，使得以总体性能最优为目标开展横航向操稳特性设计更为容易。
[0006]空天飞行器横航向操稳特性与气动布局和舵面配置有关，其中垂直尾翼或V形尾翼和方向舵是可以进行设计的主要影响因素。目前在国内外公开发表的文献资料中，空天飞行器的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵主要按照经验进行设计。例如，美国航天飞机垂直尾翼设计为使低速飞行且攻角为13度时相对于后质心(质心位于纵向后限位置)的偏航静稳定性导数(C
nβ
)为0.0013，方向舵设计为使航天飞机在最大允许侧风条件下能顺利着陆。与新一代空天飞行器相比，航天飞机由于规模和质量更大，降低飞行器总质量、总功耗等的需求并不是最主要的，所采用的设计方法难以满足新一代空天飞行器的需求。
[0007]在文献资料中常见的飞行器多学科优化设计方法，虽然目标是解决飞行器总体优化设计问题，但是由于这类方法更侧重于其通用性，选取的优化变量众多，优化模型复杂，求解难度大，实际效果并不好，另外难以与飞行器设计过程相结合，可操作性差，因此在实际项目中应用不多。

技术实现思路

[0008]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，可以解决与横航向操稳特性相关的飞行器总体优化设计问题，提高了空天飞行器总体性能，具有原理简单、流程清晰、可操作性强的优点。
[0009]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，所述方法包括如下步骤：(1)初步设计空天飞行器总体方案，确定空天飞行器的气动布局和结构参数；(2)根据步骤(1)中的空天飞行器的气动布局和结构参数，建立空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数化模型；(3)以垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数为优化变量，以最大侧滑角、最大舵偏角为约束条件，建立空天飞行器总体性能优化模型；(4)根据空天飞行器总体性能优化模型，按照试验设计方法得到空天飞行器总体性能并分析试验结果；(5)根据试验结果确定最优的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数；(6)根据确定的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数，得到使飞行器总体性能最优的横航向操稳特性。
[0010]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，在步骤(2)中，参数化模型是指一组可变参数，这些参数只在约束条件允许范围内变化，它们用于描述飞行器部件的安装位置和几何外形，通过调整这些可变参数，能够获得相应飞行器部件的不同安装位置和不同几何外形。
[0011]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，在步骤(3)中，空天飞行器总体性能优化模型的目标函数为：
[0012]minf(P)＝λ1W+λ2E+λ3C
[0013]式中，P为垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数；W为飞行器总质量需求，不含所装载载荷；E为飞行器沿任务剖面飞行总功耗需求；C为实现飞行器沿任务剖面飞行还需付出的其它代价。
[0014]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，实现飞行器沿任务剖面飞行还需付出的其它代价包括最大热流、最大热载、研制成本、研制周期、运行成本中的任意一种或者是任意几种的组合。
[0015]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，λ1、λ2和λ3的取值范围均为[0,1]。
[0016]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，在步骤(4)中，根据空天飞行器总体性能优化模型，按照试验设计方法得到空天飞行器总体性能并分析试验结果包括如下步骤：
[0017](4.1)根据步骤(2)中的空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数化模型定义试验设计因子，根据步骤(3)中的空天飞行器总体性能优化模型定义试验设计目标；
[0018](4.2)根据步骤(4.1)得到的试验设计因子，选择一种试验设计方法，生成试验设计矩阵；
[0019](4.3)根据步骤(4.2)的试验设计矩阵执行试验计划，根据当前试验工况中试验设计因子所对应的空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数，获得空天飞行器质量特性数据和气动特性数据；
[0020](4.4)根据步骤(4.3)中的空天飞行器质量特性数据、气动特性数据、大气参数，采
用飞行器六自由度刚体运动模型和飞行控制系统模型，结合飞行器质量特性数据偏差、气动特性数据偏差、大气参数偏差、风干扰、初始位置速度偏差，沿任务剖面进行飞行器运动仿真，得到位置、速度、过载、姿态角、角速度、舵偏角随时间变化的数据及其包络范围；
[0021](4.5)根据步骤(4.4)得到的位置、速度、过载、姿态角、角速度、舵偏角随时间变化的数据及其包络范围，通过结构估重得到飞行器的总质量需求，通过功耗分析得到飞行器沿任务剖面飞行的总功耗需求，通过代价分析得到实现飞行器沿任务剖面飞行还需付出的其它代价，进一步计算得到总体性能目标函数值；
[0022](4.6)、重复步骤(4.3)～(4.5)，直到逐项完成全部试验计划内容，然后分析试验结果并给出试验结论。
[0023]上述基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法中，在步骤(4.5)中，实现飞行器沿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)初步设计空天飞行器总体方案，确定空天飞行器的气动布局和结构参数；(2)根据步骤(1)中的空天飞行器的气动布局和结构参数，建立空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数化模型；(3)以垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数为优化变量，以最大侧滑角、最大舵偏角为约束条件，建立空天飞行器总体性能优化模型；(4)根据空天飞行器总体性能优化模型，按照试验设计方法得到空天飞行器总体性能并分析试验结果；(5)根据试验结果确定最优的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数；(6)根据确定的垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数，得到使飞行器总体性能最优的横航向操稳特性。2.根据权利要求1所述的基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于：在步骤(2)中，参数化模型是指一组可变参数，这些参数只在约束条件允许范围内变化，它们用于描述飞行器部件的安装位置和几何外形，通过调整这些可变参数，能够获得相应飞行器部件的不同安装位置和不同几何外形。3.根据权利要求1所述的基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于：在步骤(3)中，空天飞行器总体性能优化模型的目标函数为：minf(P)＝λ1W+λ2E+λ3C式中，P为垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数；W为飞行器总质量需求，不含所装载载荷；E为飞行器沿任务剖面飞行总功耗需求；C为实现飞行器沿任务剖面飞行还需付出的其它代价。4.根据权利要求3所述的基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于：实现飞行器沿任务剖面飞行还需付出的其它代价包括最大热流、最大热载、研制成本、研制周期、运行成本中的任意一种或者是任意几种的组合。5.根据权利要求3所述的基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于：λ1、λ2和λ3的取值范围均为[0,1]。6.根据权利要求1所述的基于性能最优的空天飞行器横航向操稳特性设计方法，其特征在于：在步骤(4)中，根据空天飞行器总体性能优化模型，按照试验设计方法得到空天飞行器总体性能并分析试验结果包括如下步骤：(4.1)根据步骤(2)中的空天飞行器垂直尾翼或V形尾翼和方向舵参数化模型定义试验设计因子，根据步骤(3)中的空天飞行器总体性能优化模型定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁利平，张静，张化照，蔡巧言，郑宏涛，韩鹏鑫，郭金花，丁嘉元，王宁宇，李华光，石伟，胡国暾，解海鸥，李贵成，韩旭，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：