[发明专利]一种全飞行域飞行器动稳定性分析方法

说明书

本发明提供了一种将基于高效自适应采样的非定常气动力代理‑降阶模型与刚体动力学方程在状态空间耦合求解特征矩阵特征根的方法进行全飞行域动稳定性特征预测，可以高效准确的获取飞行器在全飞行域内的耦合动稳定性特征。可用于对航空航天飞行器，特别是非轴对称复杂布局飞行器的多通道耦合动稳定性特性的计算分析。能够在保证预测精度的同时大幅减少计算代价，从而易于开展飞行器在全飞行域内动稳定性特性的定性、定量研究，获得对飞行器设计有指导意义的设计方向。

技术领域

本发明涉及飞行力学领域，特别是涉及一种以较低计算代价即可满足精度要求的高超声速飞行器全飞行域耦合动稳定性特征分析方法。

背景技术

在航天工程中，对于轴对称钝头体布局飞行器，我国都是用静导数和动导数判断飞行器稳定性，在工程实践中没有出现动态耦合特性。而高超声速高升阻比复杂布局为了获得良好的升阻比表现，其气动布局呈现扁平、非轴对称特征，在飞行过程中会出现动态耦合现象，这一问题导致了2010年美国HTV-2 高超声速滑翔飞行器的试飞失败。

目前，研究飞行器耦合动态特性常用的一种方法是计算流体力学/刚体动力学(CFD/RBD)耦合数值求解，在求解过程中，主要的计算耗费来自于非定常CFD计算，在高超声速飞行条件下，需要使用大型计算机进行几个月的计算才能完成一个设计状态下的动稳定特性评估，在飞行器设计过程中，还需要获得其在整个飞行包线内的动稳定特性，对每个设计点进行CFD/RBD耦合是不切实际的。通过结合工程气动力模型和刚体动力学模型构建简化的飞行力学分析模型，可以大大降低计算量，但是在临近空间高超声速飞行时会出现强粘性干扰现象，使得目前绝大多数基于无粘假设的简化气动力模型精度较差。

此外，由于飞行器飞行速度、飞行高度、飞行姿态等飞行状态参数在大范围变化，在进行飞行器全飞行域动态特性评估时，一般只能对其中的部分状态点进行计算或实验，对没有涉及到的状态点则一般通过插值获得。在该过程中，选取进行计算或实验的状态点的过程称之为采样。为了保证全飞行域的插值精度，通常需要在大范围的飞行状态参数中进行密集采样，当涉及较多飞行参数时，将不可避免的遭遇“维度诅咒”问题，即采样数量呈几何级数增长。此外还容易出现随机丢失重要采样域的问题，即对于飞行力学特性变化剧烈的局部区域，在采样过程中随机采样点未有效覆盖而导致局部插值误差过高的问题。

自适应采样方法可以通过气动特性变化的参数敏感性实现在大范围、多参数的飞行域中自动对采样点分布进行优化，根据评估插值模型精度表现自动在适当区域增加采样点，经过数论优化后获得理想的采样分布，以较低的计算代价来获得较好的插值精度。然而，在自适应采样过程中，评估模型精度需要耗费大的计算量，对飞行力学动稳定性特性研究而言，其CFD计算本身代价十分高昂，以传统直接随机抽取样本点与CFD结果进行对比评估误差的方法，难以在合理的计算代价下进行自适应模型全局精度评估，并且由于CFD计算，特别是涉及非定常问题的CFD计算本身鲁棒性不高，导致自适应采样方法的可用性和效率均不理想。

发明内容

本发明的目的是要提供一种可以高效准确地获取飞行器全飞行域耦合动稳定性特征的分析方法。

特别地，本发明提供一种全飞行域飞行器动稳定性分析方法，包括如下步骤：

步骤100，针对所需要研究的飞行器气动力特性，确定目标精度要求和计算量上限，并在全飞行域范围选取预定数量的初始样本点；

步骤110，在初始样本点x⁽ⁱ⁾处，对一组给定的运动训练信号序列u(x⁽ⁱ⁾,k) 使用CFD计算获得飞行器强迫运动的非定常气动力和力矩系数的时序数列 y(x⁽ⁱ⁾,k)，然后以u(x⁽ⁱ⁾,k)和y(x⁽ⁱ⁾,k)为样本数据，构建Kriging代理模型作为初始的目标代理模型；

步骤120，构建参考代理模型，对初始样本点进行评估，以确定当前采样精度；