《自旋類彈箭飛行器錐形運動穩定性問題研究》是依託北京理工大學，由楊樹興擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：自旋類彈箭飛行器錐形運動穩定性問題研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：楊樹興
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以自旋類彈箭飛行器為背景，深入研究錐形運動的完整描述方法、穩定性情況及其影響因素。首先分別建立無控制系統作用和有控制系統作用兩種情況下描述章動和進動耦合的錐形運動數學模型；接著設計可直接用於上述模型穩定性分析的李雅普諾夫V函式，研究非線性效應對其穩定性的影響，分析系統的奇點分布規律和分岔規律，繪製系統相圖；然後運用靈敏度方法定性、定量的分析飛行器設計參數、控制系統參數和環境參數對錐形運動穩定性的影響趨勢和影響程度，探索提高錐形運動穩定性的方法；最後用李雅普諾夫方法、Monte Carlo方法或Polynomial Chaos理論分析多個關鍵影響因素具有不確定性情況下的錐形運動穩定性，並在此基礎上研究錐形運動穩定條件下的飛行器性能最佳化方法。研究成果可為全面揭示錐形運動的產生機理提供依據，為同類飛行器的改進或設計提供理論參考。
結題摘要
錐形運動是自旋類彈箭飛行器動不穩定的一種基本表現形式，不收斂的錐形運動會明顯削弱自旋飛行器的總體性能。為了揭示錐形運動的產生機理，明確錐形運動的穩定條件，本項目以一類自旋彈箭飛行器為研究對象，重點圍繞控制系統誘導的錐形運動穩定性問題展開研究。取得的研究成果主要包括：（1）建立了以章動角和進動角為狀態變數描述錐形運動的彈體動力學非線性數學模型；基於該動力學模型在平衡點處的一階近似，推導了旋轉彈體錐形運動穩定的充要條件；對彈體轉速處於臨界狀態時的系統模型進行了解析推導，證明了原非線性系統在臨界狀態時穩定流形的存在，並給出了該流形穩態解的表達式。（2）研究了存在阻尼迴路、姿態駕駛儀、過載駕駛儀和三迴路駕駛儀時彈體自旋引起的穩定邊界變化，分別推導了上述條件下為保證錐形運動收斂必須滿足的系統增益邊界條件，並指出該邊界條件相對於傳統分通道設計的穩定性約束更為苛刻。（3）定量分析了某自旋飛行器外彈道參數、標誌量和幾何參數對平衡轉速及臨界轉速的影響趨勢，指出在降低其飛行速度、質心位置前移、保持尾翼等效面積不變的情況下減小尾翼展長增大弦長及減小尾翼安裝角等均有利於提高其圓錐運動的漸近穩定性。（4）為了在自旋飛行器概念設計階段就可綜合考慮質量、氣動、動力、彈道及錐形運動穩定性等諸多學科的影響和耦合作用，研究了基於多學科最佳化設計方法的自旋飛行器概念設計方法，錐形運動穩定性作為一個單獨的學科看待，將原來的校核計算變成了主動設計。（5）受Polynomial Chaos（正交多項式）理論在不確定性動力學系統穩定性方面套用的啟發，課題組提出了一種新的加權隨機回響面方法(WSRSM)，用以克服傳統隨機回響面方法(SRSM)的固有缺陷。傳統的SRSM對所有樣本點同等對待，忽略了它們對回歸過程的貢獻不同這一事實，這有可能會導致較大的誤差。而WSRSM的核心理念是在最小二次回歸過程中，考慮各樣本點的權值。（6）針對自旋飛行器存在俯仰和偏航通道耦合的特點，研究了以時標分離方法進行分段設計的動態逆理論解決途徑。根據系統的變數快慢區分子系統，採取層疊結構設計控制器對分系統進行單獨設計，並考慮實際套用中存在的具體實現問題，得到了過載駕駛儀控制器的基本結構，並通過半實物仿真試驗得出了具有工程套用價值的控制器設計方法。
