一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法

1.本发明涉及飞行器气动分析技术领域，尤其是一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法。


背景技术：

2.组合体飞行器分离时气动影响问题是在各类航空、航天组合飞行器研制过程中必须考虑的重要问题之一。组合体飞行器分离气动影响域的研究主要目标是为了量化及具体形象化分离时非定常流场产生的气动特性影响域，同时，为保证单体飞行器分离后的姿态稳定性，须在影响域内寻找一条适宜分离的飞行走廊。
3.组合体飞行器分离气动干扰问题是由分离瞬态的相对运动，流场紊乱引起的，要想得到单体飞行器分离时空间气动影响区域，需要对有限空间内的大量的标定点进行气动分析。针对组合体飞行器分离时气动干扰问题，目前主要采用的手段包括理论分析和数值仿真。通过理论分析的手段，对组合体飞行器的分离影响域定性得缩小范围，同时，为后面的数值仿真确定实施方案和思路。数值仿真方法主要是采用cfd仿真的手段，用网格节点逐一进行受力分析，对比在定常流场和非定常流场单体飞行器受力的区别。在此过程中，由于待测点数据量庞大，会导致仿真分析周期较长。
4.在航空航天领域中，组合体飞行器的分离气动影响问题一直是较复杂不规则的空间流场中，耦合相对运动的气动分析问题，在以往的研究中，为了分析出单体飞行器在气动干扰下的实际分离轨迹，往往采用间接预测方法(ipm)，即采用相关仿真模拟方法给出分离体在运载体扰动流场中不同位置和姿态下的干扰气动力数据库，而后代入分离体的六自由度运动方程进行仿真，因而该方法又被称为动力学建模与仿真(dms)，其中，数据库的建立采用的网格测量法：首先测量分离体在组合体干扰流场下不同位置和姿态角下的静态干扰力和力矩，从而，形成静态数据库。其缺点显然易见，需要计算的网格点数量巨大，大多数的数据点浪费，占用了大量不必要的计算空间。


技术实现要素：

5.本发明着重需要解决的问题是以目标为导向，简化空间气动影响域的模型，基于有限的数值仿真获得的在空间坐标系中三个轴向的气动力变化规律，从数理建模的角度，提出一种适用于组合体飞行器空中分离影响域的实时生成方法，获得单体飞行器分离后的气动影响域，且在不同高度速度下在线生成，后续结合切片微元法和一定程序算法，可以快速确定适宜的分离走廊。
6.本发明的主要目的是基于数值仿真和算法手段获得的有限数量的组合体飞行器分离后气动力数据，解决航空航天组合飞行器分离时紊乱流场对单体飞行器分离路径上的影响域的在线生成问题，为组合体飞行器中单体的最佳分离轨迹设计提供手段支撑。
7.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
8.一种组合体飞行器空中分离影响箱实时生成方法，包括以下步骤：
9.步骤一：采用准稳态的数值分析方法，假设单体飞行器小扰动环境中，将子单体飞行器置于主体飞行器产生的空间流场的不同位置，采用数值仿真手段对各标定点的三轴方向气动受力状态进行数值分析，仿真模拟出有利于增加单体飞行器升力，减少气动阻力的影响域范围，即气动影响域；
10.步骤二：初步判断气动影响域范围；以并联组合式飞行器构型作为研究对象，基于飞机尾流效应模型，分析单体飞行器分离后轨迹趋势，当处于尾流的上洗流区域有利于单体飞行器的增加升力，当处于主体飞行器的后上方一定范围具有减阻作用，因此可初步判断气动影响域大致分布在主体飞行器右后上方空间区域以及对称的左后上方空间区域；
11.步骤三：确定影响域边界；简化气动影响域空间模型，以平飞状态作为初步采样工况，在某一高度，速度下进行数值仿真分析，拟构建以下几个边界：
12.1)纵轴方向后边界；首先分析其在轴向边界，以分离点为初始点，平行于主体飞行器纵轴后方选取若干标定点，当相邻两点气动阻力变化率趋近于零时的点定为边界点；该边界点所在平面且垂直于纵轴的面，作为气动影响域后边界；
13.2)纵轴方向前边界；以单体飞行器初始分离位置的横轴和立轴所在平面作为气动影响域的前边界；
14.3)立轴方向下边界；以单体飞行器分离前翼弦所在水平面作为气动影响域的下边界；
15.4)展向内侧边界；以主体飞行器翼尖截面所在平面作为气动影响箱的内侧边界；
16.5)展向外侧边界；当在标定点在下边界面上，且平行于横轴方向时，分析单体飞行器所受侧向力趋近于零的点为影响域侧向边界点；
17.6)立轴方向上曲边界；在立轴方向的连续位置上，做平行于立轴方向切片分析，选取其标定点，逼近相邻点升力变化率趋近于零的边界点；
18.以上各方向边界点所在的面，距离初始分离位置的距离构成当前气动影响域的参数集；
19.步骤四：构建影响域参数数据库；基于以上步骤二和步骤三，由各边界初步围成当前飞行状态下的气动影响域大小；同样，选取若干其他高度、速度的飞行工况下，重复步骤一至步骤三得到在不同飞行状态下有限个影响域参数数据库；
20.步骤五：机器学习模型训练拟合；基于步骤四所得有限样本的影响域参数数据库，首先，清洗数据库中的各参数，舍弃或补足部分数据，然后对数据库中影响箱的不同类参数进行切分，选择机器学习中深度学习方法，对数据库中的训练集进行拟合，用剩余的数据进行测试，观察参数拟合效果；若拟合优度小于0.8，则更换模型，对训练集进行重新拟合；直至拟合优度在0.8以上；
21.步骤六：算法实现；基于步骤五中训练好的机器学习模型，使用计算机语言编写实时生成算法，实现组合体飞行器空中分离影响域的实时生成，为组合体飞行器空中分离过程控制提供环境参数变量的输入。
22.其中，所述的组合体飞行器，特指并联组合式飞行器，且该构型的组合体飞行器飞行包线等气动特性已经确定。
23.进一步的，所述步骤三中，采用准稳态分析法，即单体飞行器在分离过程中姿态保持不变，将单体飞行器
24.所述的步骤三中采样点的选取间距先变大再逐渐变小，最后，用二分法逼近边界值。
25.所述的步骤三中采样点作为输入参数传递给cfd求解器，通过求解组合体飞行器干扰下的流场，从而获得单体飞行器所受的阻力、侧向力、升力气动力数据。
26.所述的步骤四中，空中分离影响域数据库中的参数不仅包括不同飞行状态下影响域边界参数，还包括各边界参数对应的飞行攻角，飞行高度速度，以及标准大气下环境参数。
27.所述的步骤五中，不限于使用机器学习中多层神经网络等算法进行拟合，最终，保证拟合优度在0.8以上。
28.所述的步骤六中，将空中分离影响域实时生成算法程序安装于主体飞行器计算机飞行控制系统中，为单体飞行器安全稳定分离提供环境参照。
29.本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
30.(1)本发明提出了组合体飞行器分离影响域的概念，表征方法通过敏感性分析方法和模型反问题求解来实现，通过提出的度量与表征方法，可以实现分离影响域的在线生成，后续结合切片微元法和一定程序算法，可以快速确定适宜的分离走廊。
31.(2)利用本发明提出的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，可以有效解决单体飞行器适宜分离轨迹设计研究过程中存在的计算量大、周期长的问题。
附图说明
32.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
33.图1是组合体飞行器分离影响箱在线生成方法流程图；
34.图2是实施案例组合体飞行器分离影响域概念图；
35.图3是组合体飞行器分离过程中单体飞行器所受侧向力变化趋势图；
36.图4是组合体飞行器分离过程中单体飞行器所受升力变化趋势图；
37.图5是组合体飞行器分离过程中单体飞行器所受阻力变化趋势图；
38.图6是组合体飞行器分离影响域在线生成算法演示图。
具体实施例
39.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
40.示例性的，如图2所示，本发明的组合体飞行器分离影响箱在线生成方法采用如下构型案例进行分析：
41.具体地，如图2所示的组合体飞行器，假设该组合体飞行器进行对称分离，将子飞行器置于主体空间尾流场的不同位置。应用solidwords导出几何模型，输入到icem中进行网格生成，最后用fluent数值分析出每个不同位置定常气动力数据。
42.当单体飞行器分别位于主体上方，轴向，以及水平方向时，分别观测其升力、阻力和侧向力的变化规律。
43.本实施案例中，以主体的后上方，即适宜分离区域为研究对象，在飞行高度h＝2000m,飞行速度v＝66.2m/s巡航状态下，进行举例数值仿真分析，如下表1a到表1c所示。
44.首先，观察到单体飞行器位于主体飞行器侧向不同位置时，所受侧向力的大小逐渐变小，如表1a所示，同时变化趋势也趋于平缓，由此判断出以达到影响域边界。
45.表1a侧向力受力分析表
[0046][0047]
同样，对于主体飞行器上方气动影响域的范围，通过将单体飞行器平移至初始分离位置的正上方，数值仿真升力变化的变化趋势，由表1b可以观察出升力逐渐减小并趋于稳定。由此，可界定正上方影响域的影响边界。
[0048]
表1b升力受力分析表
[0049][0050]
在研究气动影响域的后方边界时，将单体飞行器置于主体飞行器正后方不同位置，根据表1c可以看到随着距离变大，阻力逐渐变大并趋于平稳，由此可以判断出已经脱离干扰气流的影响边界，即达到了影响域的后边界。
[0051]
表1c阻力受力分析表
[0052][0053][0054]
结合图3到图5所示，根据以上数值仿真结果分析可得，在2000m,66.2m/s飞行状态下，分离气动影响箱侧边界，上边界，和后边界可分别取得距离初始分离位置700mm,4000mm,20000mm处。
[0055]
同样地，采取相同步骤，如图6所示，可以得出不同高度速度下的气动影响箱边界参数，如下表2。
[0056]
表2影响箱参数统计表
[0057]
高度h/m速度v/m/s侧边界/mm上边界/mm后边界/mm200066.2700400020000 400073.381100490040000 600081.761400560055000 800091.611600610065000 10000103.31700640070000 11000109.981800660072000
[0058]
对上述原始数据进行拟合曲线后，通过c++程序语言编程实现在线生成算法。

技术特征：
1.一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用准稳态的数值分析方法，假设单体飞行器小扰动环境中，将子单体飞行器置于主体飞行器产生的空间流场的不同位置，采用数值仿真手段对各标定点的三轴方向气动受力状态进行数值分析，仿真模拟出有利于增加单体飞行器升力，减少气动阻力的影响域范围，即气动影响域；步骤二：初步判断气动影响域范围；以并联组合式飞行器构型作为研究对象，基于飞机尾流效应模型，分析单体飞行器分离后轨迹趋势，当处于尾流的上洗流区域有利于单体飞行器的增加升力，当处于主体飞行器的后上方一定范围具有减阻作用，因此可初步判断气动影响域大致分布在主体飞行器右后上方空间区域以及对称的左后上方空间区域；步骤三：确定影响域边界；简化气动影响域空间模型，以平飞状态作为初步采样工况，在某一高度，速度下进行数值仿真分析，拟构建以下几个边界：1)纵轴方向后边界；首先分析其在轴向边界，以分离点为初始点，平行于主体飞行器纵轴后方选取若干标定点，当相邻两点气动阻力变化率趋近于零时的点定为边界点；该边界点所在平面且垂直于纵轴的面，作为气动影响域后边界；2)纵轴方向前边界；以单体飞行器初始分离位置的横轴和立轴所在平面作为气动影响域的前边界；3)立轴方向下边界；以单体飞行器分离前翼弦所在水平面作为气动影响域的下边界；4)展向内侧边界；以主体飞行器翼尖截面所在平面作为气动影响箱的内侧边界；5)展向外侧边界；当在标定点在下边界面上，且平行于横轴方向时，分析单体飞行器所受侧向力趋近于零的点为影响域侧向边界点；6)立轴方向上曲边界；在立轴方向的连续位置上，做平行于立轴方向切片分析，选取其标定点，逼近相邻点升力变化率趋近于零的边界点；以上各方向边界点所在的面，距离初始分离位置的距离构成当前气动影响域的参数集；步骤四：构建影响域参数数据库；基于以上步骤二和步骤三，由各边界初步围成当前飞行状态下的气动影响域大小；同样，选取若干其他高度、速度的飞行工况下，重复步骤一至步骤三得到在不同飞行状态下有限个影响域参数数据库；步骤五：机器学习模型训练拟合；基于步骤四所得有限样本的影响域参数数据库，首先，清洗数据库中的各参数，舍弃或补足部分数据，然后对数据库中影响箱的不同类参数进行切分，选择机器学习中深度学习方法，对数据库中的训练集进行拟合，用剩余的数据进行测试，观察参数拟合效果；若拟合优度小于0.8，则更换模型，对训练集进行重新拟合；直至拟合优度在0.8以上；步骤六：算法实现；基于步骤五中训练好的机器学习模型，使用计算机语言编写实时生成算法，实现组合体飞行器空中分离影响域的实时生成，为组合体飞行器空中分离过程控制提供环境参数变量的输入。2.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的组合体飞行器，特指并联组合式飞行器，且该构型的组合体飞行器飞行包线等气动特性已经确定。3.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在
于，所述步骤三中，采用准稳态分析法，即单体飞行器在分离过程中姿态保持不变，将单体飞行器平移置于主体产生的空间流场的不同位置进行数值仿真分析。4.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的步骤三中采样点的选取间距先变大再逐渐变小，最后，用二分法逼近边界值。5.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的步骤三中采样点作为输入参数传递给cfd求解器，通过求解组合体飞行器干扰下的流场，从而获得单体飞行器所受的阻力、侧向力、升力气动力数据。6.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的步骤四中，空中分离影响域数据库中的参数不仅包括不同飞行状态下影响域边界参数，还包括各边界参数对应的飞行攻角，飞行高度速度，以及标准大气下环境参数。7.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的步骤五中，不限于使用机器学习中多层神经网络等算法进行拟合，最终，保证拟合优度在0.8以上。8.根据权利要求1所述的一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，其特征在于，所述的步骤六中，将空中分离影响域实时生成算法程序安装于主体飞行器计算机飞行控制系统中，为单体飞行器安全稳定分离提供环境参照。

技术总结
本发明公开了一种组合体飞行器空中分离影响域实时生成方法，基于在高风险分离空间中规律选取的边界点，通过准稳态数值仿真分析的手段得出某高度速度下分离气动影响箱大小，然后在不同高度速度下采用相同步骤，得出有限个的分离影响箱大小，最后，采用机器学习模型训练拟合气动影响域参数数据库，并采用程序语言编写实时生成算法，植入主飞行器计算机系统，实现空中分离影响域的在线生成。该发明实现了组合体飞行器分离时影响域的快速在线生成，亦可为组合体飞行器分离策略设计中缩小计算域，解决计算效率低，周期长等问题。周期长等问题。周期长等问题。


技术研发人员：贾山 张金城 张青松 陈金宝 蔡成志 潘一华
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/21