减阻防热闭环控制系统及方法

1.本发明涉及高超声速飞行器设计与优化技术领域，尤其涉及一种减阻防热闭环控制系统及方法。

背景技术：

2.当前随着空间攻防体系和信息化作战需求的增加，高超声速飞行器相关技术发展的重要性也日益突显。在此过程中，减阻和防热问题一直是高超声速飞行器的整个设计过程中需要克服的难题之一。
3.一般来说，为满足火箭、导弹、临近空间飞行器等高超声速飞行器的热防护需求并提高其有效载荷，通常采用钝头体头部构型设计该类飞行器。但是，在飞行过程中，飞行器的头部会产生强烈的弓形激波，并引起该区域压力和热流的急剧升高，致使飞行阻力迅速增大、温度快速升高，为整个飞行器的动力和防隔热系统带来严峻的挑战。
4.所以，针对飞行器在高超声速环境飞行过程中会导致其阻力和热流过大的问题，提出了多种流动控制方法，如激波杆、逆向喷流、迎风凹槽、能量投放等。经过深入研究，表明激波杆是较为简单有效的方式之一。如图8所示，将激波杆安装于飞行器的头部，可以刺穿头部的弓形激波使其变成斜激波，使得波后的压力和焓值显著降低，同时诱导产生一个大的回流区覆盖飞行器头部，从而达到减阻和热防护的目的。
5.通常，激波杆以固定构型安装于飞行器头部。但随着飞行工况的不同，激波杆诱导产生的头部激波和流场结构也会随之变化，使回流区不能完全覆盖飞行器头部区域，而且如果激波杆诱导产生的斜激波入射到飞行器的头部区域，会产生“热斑”，引起头部烧蚀，就没有很好的减阻防热效果。

技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种减阻防热闭环控制系统及方法，可以使高超声速飞行器在任何飞行工况下都具有很好的减阻和防热效果。
7.为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
8.本发明提供一种减阻防热闭环控制系统，包括：
9.解算控制模块，用于接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据并进行解算，输出变形控制指令；
10.驱动机构模块，用于接收所述变形控制指令，并根据所述变形控制指令输出相应的驱动动作；
11.执行机构模块，用于根据所述驱动动作完成相应的变形动作；以及
12.监测判读模块，用于监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对所述监测值进行判读，根据判读结果调节所述解算控制模块输出的变形控制指令。
13.根据本发明的一个方面，所述飞行工况数据包括：飞行高度、飞行速度、攻角和侧
滑角等。
14.根据本发明的一个方面，所述解算控制模块对所述飞行工况数据解算后获得所述执行机构模块所需的变形量。
15.根据本发明的一个方面，所述驱动机构模块包括：电机控制器、驱动电机和传动机构，
16.所述电机控制器在接收到所述解算控制模块的变形控制指令后，指挥所述驱动电机做出相应的驱动动作；
17.所述传动机构将所述驱动电机的驱动动作输出。
18.根据本发明的一个方面，所述执行机构模块包括：可变形的激波杆装置，所述激波杆装置由顶端伞面、支撑骨架、骨架滑块、激波支杆和滑动套筒构成，
19.所述顶端伞面分为固定伞面和活动伞面，所述骨架滑块沿着所述激波支杆运动从而带动所述活动伞面的开合；
20.所述激波支杆沿着所述滑动套筒进行伸缩，实现所述激波支杆伸出高超声速飞行器头部长度的调整。
21.根据本发明的一个方面，所述驱动机构模块包含两条驱动线路，其中一路用于驱动所述激波杆装置的激波支杆的伸缩，另一路用于驱动所述激波杆装置的顶端活动伞面的开合。
22.根据本发明的一个方面，所述处于闭合状态的活动伞面与所述激波支杆的轴线的夹角为α，处于完全展开状态的活动伞面与所述激波支杆的轴线的夹角为α
′
，所述活动伞面的开合度根据飞行工况在α～α
′
之间变化。
23.根据本发明的一个方面，所述监测判读模块包括：
24.压力传感器，用于监测高超声速飞行器头部的压力，输出压力监测值；
25.热流传感器，用于监测高超声速飞行器头部的热流，输出热流监测值；以及
26.数据判读器，用于分别判断所述压力监测值和所述热流监测值是否满足要求，并据此确定是否需要调节所述执行机构模块的变形动作。
27.本发明还提供一种利用上述减阻防热闭环控制系统实现的减阻防热闭环控制方法，包括：
28.a、利用所述解算控制模块接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据并进行解算，输出变形控制指令；
29.b、利用所述驱动机构模块接收所述变形控制指令，并根据所述变形控制指令输出相应的驱动动作；
30.c、利用所述执行机构模块根据所述驱动动作完成相应的变形动作；
31.d、利用所述监测判读模块监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对所述监测值进行判读，根据判读结果调节所述解算控制模块输出的变形控制指令。
32.根据本发明的另一个方面，在所述步骤a之前，还包括：建立高超声速飞行器飞行工况数据与激波杆装置变形规律之间的关联数据库，并将所述关联数据库文件装订入所述解算控制模块。
33.根据本发明的另一个方面，在所述步骤d中，若所述监测值满足要求，则向所述执
行机构模块发送锁死指令，锁定所述执行机构模块的变形状态；若所述监测值不满足要求，则将所述监测值反馈给所述解算控制模块进行解算修正，并由所述解算控制模块发送修正后的变形控制指令，直至所述监测判读模块获得的监测值满足要求。
34.有益效果：
35.根据本发明的方案，基于激波杆减阻防热原理设计了应用于高超声速飞行器的减阻防热闭环控制系统，该系统可以根据不同的飞行工况，由解算控制模块向驱动机构模块发送相应的激波杆装置伸缩开合等变形控制指令，并由驱动机构模块驱动可变形激波杆装置作对应动作实现伸缩开合等的变形控制，使得在任何飞行工况下(全飞行周期内)，激波杆装置诱导产生的回流区均能够将飞行器头部包裹，从而对高超声速飞行器的头部流场结构进行重构，起到很好的减阻和防热效果。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1示意性表示本发明实施例提供的一种减阻防热闭环控制系统的结构图；
38.图2示意性表示本发明实施例提供的解算控制模块的输入输出图；
39.图3示意性表示本发明实施例提供的驱动机构模块的内部结构和工作示意图；
40.图4示意性表示本发明实施例提供的可变形的激波杆装置处于不同变形状态的结构图；
41.图5示意性表示本发明实施例提供的前缘脱体激波相关参数示意图；
42.图6示意性表示本发明实施例提供的特定激波支杆杆长和活动伞面展开角度下的ma分布；
43.图7示意性表示本发明实施例提供的一种减阻防热闭环控制方法的流程图；
44.图8示意性表示一种现有的带激波杆的高超声速飞行器钝头体头部流场结构示意图。
具体实施方式
45.此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
46.此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
47.参见图1，本发明实施例提供一种应用于高超声速飞行器的减阻防热闭环控制系统，包括：解算控制模块110、驱动机构模块120、执行机构模块130和监测判读模块140。其
中，解算控制模块110用于接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据并进行解算，输出变形控制指令。驱动机构模块120用于接收变形控制指令，并根据变形控制指令输出相应的驱动动作。执行机构模块130用于根据驱动动作完成相应的变形动作。监测判读模块140用于监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对监测值进行判读，根据判读结果调节解算控制模块110 输出的变形控制指令。
48.进一步地，若监测值满足要求，则向执行机构模块130发送锁死指令，锁定执行机构模块130的变形状态；若监测值不满足要求，则将监测值反馈给解算控制模块110进行解算修正，并由解算控制模块110发送修正后的变形控制指令，直至监测判读模块140获得的监测值满足要求。
49.参见图2，飞行工况数据包括：飞行高度、飞行速度、攻角和侧滑角等。解算控制模块110的输入端对飞行器测量系统测量获得的飞行工况数据进行接收，经过解算后获得执行机构模块130所需的变形量，输出端输出变形量和变形控制指令。这样就使得执行机构模块130按照解算控制模块110解算出的变形量和变形控制指令做出相应的变形动作。
50.具体地，参见图3，上述驱动机构模块120包括：电机控制器、驱动电机和传动机构。电机控制器在接收到解算控制模块110的变形控制指令后，指挥驱动电机做出相应的驱动动作。传动机构将驱动电机的驱动动作输出，从而带动执行机构模块130完成变形动作。
51.具体地，参见图4，上述执行机构模块130的核心部件为可变形的激波杆装置。该激波杆装置由顶端伞面、支撑骨架403、骨架滑块405、激波支杆404和滑动套筒406构成。顶端伞面分为固定伞面401和活动伞面402，骨架滑块405沿着激波支杆404运动从而带动活动伞面402的开合。处于闭合状态的活动伞面402与激波支杆404轴线的夹角为α，处于完全展开状态的活动伞面402与激波支杆404轴线的夹角为α
′
，活动伞面402的开合度可以根据飞行工况在α～α
′
之间变化。激波支杆404也可以根据飞行工况沿着滑动套筒406进行伸缩，实现激波支杆404伸出高超声速飞行器头部长度的调整。
52.参见图3，驱动机构模块120包含两条驱动线路，其中一路用于驱动激波杆装置的激波支杆404的伸缩，另一路用于驱动激波杆装置的顶端活动伞面402的开合。
53.监测判读模块140包括：安装在高超声速飞行器头部的压力传感器、热流传感器和数据判读器。其中，压力传感器用于监测高超声速飞行器头部的压力，输出压力监测值。热流传感器用于监测高超声速飞行器头部的热流，输出热流监测值。数据判读器用于分别判断压力监测值和热流监测值是否满足要求，并据此确定是否需要调节执行机构模块130、也就是激波杆装置的变形动作。
54.由此可知，该系统可以根据高超声速飞行器不同的飞行工况，由解算控制模块110向驱动机构模块120发送相应的激波杆装置伸缩开合等变形控制指令，并由驱动机构模块120驱动可变形激波杆装置作对应动作实现伸缩开合等的变形控制，使得在任何飞行工况下(全飞行周期内)，激波杆装置诱导产生的回流区均能够将飞行器头部包裹，从而对高超声速飞行器的头部流场结构进行重构，具有很好的减阻和防热效果。
55.参见图7，本发明实施例还提供一种利用上述减阻防热闭环控制系统实现的减阻防热闭环控制方法，包括以下步骤：
56.a、利用解算控制模块接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据
并进行解算，输出变形控制指令；
57.b、利用驱动机构模块接收变形控制指令，并根据变形控制指令输出相应的驱动动作；
58.c、利用执行机构模块根据驱动动作完成相应的变形动作；
59.d、利用监测判读模块监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对监测值进行判读，根据判读结果调节解算控制模块输出的变形控制指令。
60.在步骤a之前，该方法还包括：建立高超声速飞行器飞行工况数据与激波杆装置变形规律之间的关联数据库，并将关联数据库文件装订入解算控制模块。具体过程为：首先，分析高超声速飞行器不同飞行工况下，不带上述减阻防热闭环控制系统的飞行器构型所受的气动力、头部热流，以及飞行器头部附近详细的流场结构，确定前缘脱体激波相关参数，如激波强度、位置，波后压强、温度等，参见图5。基于初始构型的流场信息，初步规划激波支杆404的伸缩长度以及顶端活动伞面402的展开角度的两个变形量。并对不同飞行工况下激波杆装置的该变形量的减阻和防热效果进行评估，参见图6。然后，基于评估结果建立飞行工况与激波杆装置变形规律之间的关联数据库，并将该数据库文件装订入解算控制模块。
61.在步骤a中，在飞行器飞行过程中，由高超声速飞行器测量系统对飞行速度、飞行高度、攻角和侧滑角等参数进行测量，将其作为输入参数送入解算控制模块。基于步骤a之前预装的飞行工况与激波杆装置变形规律的关联数据库，由解算控制模块对输入参数进行解算，获得激波杆装置所需的变形量，并向驱动机构模块发送变形控制指令。
62.在步骤b和步骤c中，驱动机构模块的电机控制器在接收到解算控制模块发送的变形控制指令后，分别向两路驱动电机发送指令，一路驱动激波支杆404进行伸缩动作，另一路驱动顶端活动伞面402进行开合动作。随后，执行机构模块—激波杆装置在传送机构驱动下完成指定伸缩和开合变形，变形动作完成后驱动电机断电自锁，变形后的激波杆装置将对飞行器头部流场进行重构，从而达到针对特定飞行工况的很好地减阻和防热的目的。
63.在步骤d中，由飞行器头部安装的监测判读模块对重构后的流场压力和热流进行监测，并对监测值进行判读。若监测值满足要求，则向执行机构模块发送锁死指令，锁定执行机构模块的变形状态；若监测值不满足要求，则将监测值反馈给解算控制模块进行解算修正，并由解算控制模块发送修正后的变形控制指令，直至监测判读模块获得的监测值满足要求。
64.对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种减阻防热闭环控制系统，其特征在于，包括：解算控制模块(110)，用于接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据并进行解算，输出变形控制指令；驱动机构模块(120)，用于接收所述变形控制指令，并根据所述变形控制指令输出相应的驱动动作；执行机构模块(130)，用于根据所述驱动动作完成相应的变形动作；以及监测判读模块(140)，用于监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对所述监测值进行判读，根据判读结果调节所述解算控制模块(110)输出的变形控制指令。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行工况数据包括：飞行高度、飞行速度、攻角和侧滑角。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述解算控制模块(110)对所述飞行工况数据解算后获得所述执行机构模块(130)所需的变形量。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动机构模块(120)包括：电机控制器、驱动电机和传动机构，所述电机控制器在接收到所述解算控制模块(110)的变形控制指令后，指挥所述驱动电机做出相应的驱动动作；所述传动机构将所述驱动电机的驱动动作输出。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述执行机构模块(130)包括：可变形的激波杆装置，所述激波杆装置由顶端伞面、支撑骨架(403)、骨架滑块(405)、激波支杆(404)和滑动套筒(406)构成，所述顶端伞面分为固定伞面(401)和活动伞面(402)，所述骨架滑块(405)沿着所述激波支杆(404)运动从而带动所述活动伞面(402)的开合；所述激波支杆(404)沿着所述滑动套筒(406)进行伸缩，实现所述激波支杆(404)伸出高超声速飞行器头部长度的调整。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述驱动机构模块(120)包含两条驱动线路，其中一路用于驱动所述激波杆装置的激波支杆(404)的伸缩，另一路用于驱动所述激波杆装置的顶端活动伞面(402)的开合。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处于闭合状态的活动伞面(402)与所述激波支杆(404)的轴线的夹角为α，处于完全展开状态的活动伞面(402)与所述激波支杆(404)的轴线的夹角为α
′
，所述活动伞面(402)的开合度根据飞行工况在α～α
′
之间变化。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测判读模块(140)包括：压力传感器，用于监测高超声速飞行器头部的压力，输出压力监测值；热流传感器，用于监测高超声速飞行器头部的热流，输出热流监测值；以及数据判读器，用于分别判断所述压力监测值和所述热流监测值是否满足要求，并据此确定是否需要调节所述执行机构模块(130)的变形动作。9.一种利用权利要求1-8任一项所述的减阻防热闭环控制系统实现的减阻防热闭环控制方法，包括：a、利用所述解算控制模块接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据
并进行解算，输出变形控制指令；b、利用所述驱动机构模块接收所述变形控制指令，并根据所述变形控制指令输出相应的驱动动作；c、利用所述执行机构模块根据所述驱动动作完成相应的变形动作；d、利用所述监测判读模块监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对所述监测值进行判读，根据判读结果调节所述解算控制模块输出的变形控制指令。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤a之前，还包括：建立高超声速飞行器飞行工况数据与激波杆装置变形规律之间的关联数据库，并将所述关联数据库文件装订入所述解算控制模块。11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤d中，若所述监测值满足要求，则向所述执行机构模块发送锁死指令，锁定所述执行机构模块的变形状态；若所述监测值不满足要求，则将所述监测值反馈给所述解算控制模块进行解算修正，并由所述解算控制模块发送修正后的变形控制指令，直至所述监测判读模块获得的监测值满足要求。

技术总结

本发明涉及一种减阻防热闭环控制系统及方法。该系统包括：解算控制模块(110)，用于接收高超声速飞行器测量系统测量和传输的飞行工况数据并进行解算，输出变形控制指令；驱动机构模块(120)，用于接收所述变形控制指令，并根据所述变形控制指令输出相应的驱动动作；执行机构模块(130)，用于根据所述驱动动作完成相应的变形动作；以及监测判读模块(140)，用于监测高超声速飞行器头部的压力和热流，输出对应的监测值，并对所述监测值进行判读，根据判读结果调节所述解算控制模块(110)输出的变形控制指令。本发明可以对高超声速飞行器在任何飞行工况下都起到很好的减阻和防热效果。飞行工况下都起到很好的减阻和防热效果。飞行工况下都起到很好的减阻和防热效果。