基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统和控制方法，所述基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，包括流体推力矢量喷管

【技术实现步骤摘要】
基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统和控制方法


[0001]本专利技术属于人工智能飞行器推进
，具体是一种基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统和控制方法
。

技术介绍

[0002]在现代高性能军用飞行器推进
，流体推力矢量技术有着广阔的应用前景
。
目前各国尖端战机广泛应用的机械式推力矢量已经可以大幅提高飞机的机动性
、
敏捷性和战场生存能力
。
与机械式相比，流体推力矢量技术没有复杂的机械传动部件，结构简单
、
重量轻
、
响应快，有望接替机械式推力矢量在下一代战机中实际应用
。
但是，流体推力矢量喷管存在迟滞
、
非线性
、
非受控等不良控制特性，极大限制了其实际应用
。
此外，由于流体推力矢量喷管对流动结构十分敏感，实际飞机飞行时喷管内外流相互耦合条件下容易造成尾喷流矢量偏转特性与地面试验结果出现偏差，从而产生非指令的飞行器操纵力矩，进一步影响飞行器姿态，严重情况下会导致坠毁
。
[0003]随着计算机技术和软件技术的飞速发展，目前人工智能技术成为了研究热点
。
相比人类来说，计算机在计算速度和计算量上具有显著优势，在飞行器设计中融合人工智能技术可以使飞行器的性能得到进一步提升
。
如
2016
年，
Psibernetix
公司开发的“阿尔法
AI”在模拟战斗中完胜了作战经验丰富的真人飞行员
。
因此，人工智能在航空航天领域成为了一个重要的研究方向
。
[0004]传统飞行器的控制主要策略是，通过飞行器上装备的各类传感器
(
如空速管
、
迎角传感器等
)
对飞行器飞行状态
(
飞行速度
、
迎角
、
侧滑角等
)
进行监测并反馈到驾驶室，飞行员综合各项飞行数据以及自身的判断来控制各操纵舵面
。
当飞行器装备了流体推力矢量喷管后，飞行员同样需要通过飞行器的整体姿态响应来判断如何进一步控制矢量推进系统
。
这一控制逻辑的隐患在于，当紧急情况
(
如失速
、
尾旋等
)
发生时，飞行员需要在极短的时间内做出正确反应来保证飞行安全
。
但是，流体推力矢量喷管的应用在某些情况反而会放大这一隐患
。
例如，采用推力矢量喷管实现短距起降时，飞行器的飞行高度非常低，紧急情况下没有足够的安全高度给飞行员挽救飞机；在飞行中利用推力矢量喷管进行眼镜蛇机动等高机动动作时，飞机本身就处于失速或常规舵面失效的危险状态，飞行员只能根据以往的飞行训练及飞行经验来操纵矢量推进系统；最后，推力矢量本身也应用于失速机动
、
尾旋改出等情况来保障飞行安全
。
这些飞行案例中，推力矢量装置往往表现为一个飞行员无法完全知晓的“黑匣子”。
此外，由于流体推力矢量喷管进行喷流矢量偏转中，往往存在着尾喷流与固壁边界的相互作用，易于引发喷流非受控附壁
、
离壁等流动状态的非指令切换，反映到飞行器上就导致飞机的操纵力矩不受控，容易进一步引发飞行器姿态失控，造成严重的飞行事故
。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系
统和控制方法，该流体推力矢量喷管系统具有自主监测
、
自主选择控制策略
、
自主控制能力，通过本专利技术控制方法能够实时监测矢量喷管中的尾喷流偏转状态，对尾喷流非指令偏转情况可以进行快速判断与预警，同时具备喷流非指令状态主动改出的能力，保证流体推力矢量喷管的安全性和可靠性
。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，包括流体推力矢量喷管
、
数据采集单元
、
控制单元和数据解算单元
。
所述流体推力矢量喷管是本专利技术的控制对象，用于提供尾喷流，并具备基本的喷流偏转控制能力；所述数据采集单元用于监测尾喷流的流动状态，如矢量偏转角大小等；所述控制单元用于流体推力矢量喷管出现尾喷流非指令偏转情况时的自主控制；所述数据解算单元用于解算所述数据采集单元提供的数据，判断尾喷流的流动状态是否需要控制，并自主发送信号给所述控制单元实现对尾喷流的主动流动控制
。
[0008]进一步的，所述数据采集单元为所述流体推力矢量喷管内部关键位置布置的传感器，包括用于监测尾喷流流动速度的喷流总静压传感器，用于监测尾喷流温度的喷流温度传感器，以及用于监测尾喷流矢量偏转状态的壁面特征压力传感器阵列
。
[0009]进一步的，所述控制单元为所述流体推力矢量喷管内部用于控制尾喷流流动结构的流动控制激励器，可以选用合成喷流激励器
、
振荡喷流激励器
、
等离子体激励器
、
涡发生器及其他激励器中的一种或数种
。
[0010]进一步的，所述数据解算单元为机载式计算机或地面式计算机，用于接收所述数据采集单元发送的数据并计算实时矢量偏转角度，根据计算结果自主判断是否需要进一步控制干预，并将自主选取的控制策略与控制方案传递给所述控制单元，从而实现自主控制
。
[0011]用于上述基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统的控制方法，包括以下步骤：
[0012]1)
监测并解算获取流体推力矢量喷管内尾喷流当前的流动速度
、
温度
、
密度等主要流动状态，以及尾喷流在流体推力矢量喷管系统控制下的当前矢量偏转状态
。
[0013]2)
数据解算单元对尾喷流状态的正常性进行持续判断：第一是喷流矢量控制是否出现危险工况，主要包括尾喷流偏转中是否出现非受控的附壁
、
离壁现象
。
在这些工况中尾喷流的矢量角
θ
可能出现急剧的增大或减小，危害飞行安全，数据解算单元自主判断需要进一步控制
。
第二是判断当前矢量控制角度与飞行员或飞控输入的预期矢量角是否一致
。
当流体推力矢量喷管系统控制出现非线性
、
迟滞等现象导致实际矢量角出现偏差，或者实际飞行中由于外流对内流的影响导致实际尾喷流偏转的矢量角与地面试验结果出现偏差时，数据解算单元自主判断需要进一步控制
。
[0014]3)
当数据解算单元判断需要进一步控制时，进入下一控制环节，即自主选择控制策略
。
首先数据解算单元根据目前尾喷流的实时流动状态，分析喷管非正常工作的原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，其特征在于，包括流体推力矢量喷管
、
数据采集单元
、
控制单元和数据解算单元；所述流体推力矢量喷管用于提供尾喷流；所述数据采集单元用于监测尾喷流的流动状态；所述控制单元用于流体推力矢量喷管出现尾喷流非指令偏转情况时的自主控制；所述数据解算单元用于解算所述数据采集单元提供的数据，判断尾喷流的流动状态是否需要控制，并自主发送信号给所述控制单元实现对尾喷流的主动流动控制
。2.
根据权利要求1所述的基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，其特征在于，所述数据采集单元为所述流体推力矢量喷管内部关键位置布置的传感器，包括用于监测尾喷流流动速度的喷流总静压传感器，用于监测尾喷流温度的喷流温度传感器，以及用于监测尾喷流矢量偏转状态的壁面特征压力传感器阵列
。3.
根据权利要求1所述的基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，其特征在于，所述控制单元为所述流体推力矢量喷管内部用于控制尾喷流流动结构的流动控制激励器，选用合成喷流激励器
、
振荡喷流激励器
、
等离子体激励器
、
涡发生器中的一种或数种
。4.
根据权利要求1所述的基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统，其特征在于，所述数据解算单元为机载式计算机或地面式计算机，用于接收所述数据采集单元发送的数据，进行计算并实时监控尾喷流流动状态，自主判断是否需要进一步控制干预，并将自主选取的控制策略与控制方案传递给所述控制单元，从而实现自主控制
。5.
用于权利要求1至4任一项所述的基于喷流状态感知的流体推力矢量喷管系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
监测并解算获取流体推力矢量喷管内尾喷流当前的流动状态，以及尾喷流在流体推力矢量喷管系统控制下的当前矢量偏转状态；
2)
数据解算单元对尾喷流状态的正常性进行持续判断：第一是喷流矢量控制是否出现危险工况，主要包括尾喷流偏转中是否出现非受控的附壁
、
离壁现象；在这些工况中尾喷流的矢量角
θ
可能出现急剧的增大或减小，危害飞行安全，数据解算单元自主判断需要进一...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾蕴松，史楠星，李琳恺，黄紫，赵冬凯，周宇航，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：