高超声速飞行器机翼颤振稳定性分析及其主动控制研究

摘要

高超声速飞行器具有突防成功率高和侦查效能强的特点，随着军事战略需求的广泛性，它也具有极高的战略意义和应用价值，成为世界上21世纪航空航天事业发展的一个主要方向。然而，高超声速飞行器的飞行速度很快，它本身的非线性特性非常复杂，其机翼在气流中可能会受到气动力、弹性力和惯性力的耦合会形成的一种复杂的气动弹性失稳现象——机翼颤振。飞行器发生机翼颤振是十分危险的，可能会在短短的几秒内引起飞行器解体的灾难性后果。目前，关于亚声速、跨声速及超声速机翼颤振已有大量的研究成果，而关于高超声速机翼颤振问题的研究较少。因此，我们有必要针对高超声速飞行器的机翼颤振问题进一步开展研究。论文的主要研究工作如下:
　　首先，本文同时考虑高超声速飞行器机翼的结构立方非线性和气动非线性因素，运用活塞理论分析机翼系统的非定常气动力，最终建立起高超声速飞行器的二元机翼动力学模型。再根据Hopf分叉理论确定求解机翼颤振系统Hopf分叉点的方法。
　　其次，针对高超声速机翼颤振系统在Hopf分叉点处的复杂响应进行数值模拟和分析。采用中心流形理论对系统进行降维，应用形式级数法判定Hopf分叉点的类别，并针对超临界Hopf分叉和亚临界Hopf分叉分别进行数值仿真及稳定性分析。另外为了避免亚临界Hopf分叉给飞行器带来灾难性事故，经过分析得出分叉点表现为亚临界分叉性质的临界马赫数。
　　然后，对高超声速飞行器的二元机翼模型在零平衡点处进行近似线性化，确定其二次型性能指标，并基于LQR方法设计高超声速机翼颤振系统的线性主动控制器，仿真结果表明该控制器能够有效抑制高超声速二元机翼在Hopf分叉点处持续振荡的颤振。
　　最后，针对高超声速飞行器的机翼颤振系统设计非线性主动控制器。首先对模型进行反馈精确线性化并设计主动控制器，然后基于T-S模糊在线逼近高超声速机翼颤振系统的非线性模型，设计带有σ修正的参数自适应律，在线调节模糊逼近参数，并为其设计模糊自适应主动控制器。仿真表明非线性主动控制器对于非线性特性复杂的或存在不确定因素的高超声速机翼，具有更理想的颤振抑制效果。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景、目的及意义

1．2 机翼颤振的国内外技术研究现状

1．2．1 二元机翼颤振问题概述

1．2．2 非线性气动弹性问题及其研究现状

1．2．3 高超声速飞行器机翼颤振主动抑制的研究现状

1．3 本文研究的主要内容及结构

第二章 高超声速飞行器机翼颤振系统建模

2．1 引言

2．2 高超声速飞行器二元机翼的动力学模型

2．3 高超声速飞行器机翼颤振Hopf分叉点的确定

2．3．1 Hopf分叉理论

2．3．2 Hopf分叉点的确定方法

2．4 本章小结

第三章 高超声速飞行器机翼颤振稳定性分析

3．1 引言

3．2 高超声速机翼颤振系统复杂响应的数值模拟

3．3 高超声速机翼颤振分叉点类别的判定

3．3．1 中心流形理论

3．3．2 高超声速机翼中心流形的求解

3．3．3 形式级数法判定分叉点的类别

3．3．4 仿真验证及分析

3．4 本章小结

第四章 高超声速机翼的模型线性化及LQR主动控制

4．1 引言

4．2 机翼颤振系统的近似线性化及LQR主动控制系统设计

4．3 仿真验证及分析

4．4 本章小结

第五章 高超声速机翼颤振的非线性主动控制

5．1 引言

5．2 机翼颤振系统的反馈精确线性化及其主动控制器的设计

5．2．1 反馈精确线性化理论

5．2．2 主动控制器的设计及仿真验证

5．3 模糊自适应主动控制器的设计

5．3．1 系统描述

5．3．2 模糊系统逼近

5．3．3 参数自适应律的设计

5．3．4 模糊自适应主动控制器的设计

5．3．5 模糊自适应主动控制器的修正

5．3．6 仿真验证及分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文的主要工作与贡献

6．2 不足之处与研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文