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2024年09期

综述 | 锆基复合高温吸波材料的研究进展

摘要：随着军事装备的快速发展，高速飞行器和武器装备的关键部件需要满足高温等严苛条件下的隐身要求，开发卓越的耐高温电磁波吸收材料已经成为研究热点之一，其中锆基复合材料由于耐高温和抗氧化等特性被广泛关注。本文介绍了锆基复合吸波材料的制备方法、吸波机制，以及室温与高温下的吸波性能，尤其针对其中的核壳复合结构进行了详细阐述，分析了锆基壳层与磁核间的协同损耗效应，进而总结了高温下吸波带宽窄、吸收弱等的原因和改进方法。最后，本文凝练了锆基复合吸波材料研究中的关键科学与技术问题，基于此提出了可能的优化方法与发展方向，为未来高温吸波材料的研究开发提供参考。

无人机技术 | 复杂环境下无人机盘旋跟踪地面目标三维航迹规划

摘要：无人机(UAV)如何在复杂环境中安全跟踪地面目标是当前研究的热点。本文针对三维多障碍环境中无人机盘旋跟踪地面目标并安全避障问题，设计了一种无碰撞盘旋跟踪三维航迹规划策略。首先，对地面移动目标设计了一个定距盘旋跟踪三维制导律，建立无人机动力学模型，阐述定距离跟踪制导律的设计方法；其次，设计了李雅普诺夫（Lyapunov）函数对该制导律稳定性进行了严格的数学证明；最后，为了实现基于无人机盘旋跟踪目标过程中的三维避障问题，提高无人机的自主能力，提出一种改进型三维人工势场法，对传统二维人工势场法进行适应性改进，并将斥力分解为水平与竖直方向的分力，采取加权求和方式将其与所设计的制导律相结合。本文提出的策略均考虑了无人机的动力学约束。仿真结果显示，该策略能够实现无人机对地面移动目标进行盘旋跟踪的同时，还能安全躲避至少6个障碍物，具备可行性和有效性。该方法可应用于无人机避障跟踪领域，对提升无人机自主航迹规划能力具有重大意义。

无人机技术 | 低成本可消耗无人机极限不可用燃油量确定方法研究

摘要：对于低成本可消耗无人机，为了发挥其燃油的最大效能，需要在预定的飞行作战轨迹下测算出其极限的不可用燃油量。本文针对某型低成本可消耗无人机提出了一种极限不可用燃油量的确定方法。通过切割油面角建立该无人机特定姿态下的不可用燃油数据库，在此数据库的基础上拟合出该无人机所有姿态下不可用燃油量与俯仰角、滚转角之间的数学关系；将该无人机根据六自由度数学模型仿真出的随时间变化的理论剩余油量与相应时刻下对应姿态的不可用燃油量进行比较，确定特定飞行任务下该无人机的极限不可用燃油量。通过这种方法计算得到的极限不可用燃油量和该无人机实际飞行剩余油量误差仅有0.27L，误差小于传统民航飞机不可用油量计算方法的3.68L，误差减小了3.41L，燃油利用率提高了3.9%，表明此方法的准确性与可行性。

工程应用 | 基于力-热耦合仿真模型的切削引入残余应力形成规律研究

摘要：金属切削加工方式是多因素多物理场耦合、涉及材料大变形、高度非线性的减材加工过程，为了实现切削加工过程的数字化、信息化、智能化，本文研究了切削材料的本构模型，利用AdvantEdge和Abaqus建立了切削过程的力-热耦合数值仿真分析模型，利用切削试验验证了有限元模型的正确性、可靠性，通过正交试验分析了主轴转速、切削速度、铣削深度、铣削宽度4个因素对切削力、表面温度、表面残余应力的影响。结果表明，切削开始时切削部位温度急剧升高导致切削表面产生剧烈的热-弹塑性变形，这是引起残余应力生产的主要原因，针对固溶处理与时效处理后的7050铝合金厚板，发现切削速度对表面残余应力的影响最大，得到了其表面残余应力最小的切削参数分别为：进给速度为1200mm/min，铣削深度为0.5mm，铣削宽度为12mm，主轴转速为4000r/min。本文为7050铝合金薄壁结构零件在切削加工中表面残余应力的分析提供了一种新方法，为航空航天领域的薄壁结构零件的高精度制造提供了理论基础。

工程应用 | 浮囊材料弹性模量对直升机着水冲击的影响

摘要：直升机水上迫降过程中，浮囊材料缓冲特性对直升机着水冲击和安全有着重要的影响。因此，本文采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法对直升机-浮囊组合体着水冲击过程进行了流固耦合仿真研究，分析了不同浮囊材料弹性模量对直升机着水冲击姿态和冲击过载的影响，对直升机着水冲击的影响机理进行了阐述，通过浮囊吸能百分比揭示了浮囊材料弹性模量对直升机着水冲击过载特性的影响。研究结果表明，直升机着水冲击俯仰角幅值随浮囊弹性模量的增大而减小；直升机垂向过载峰值随弹性模量的增大而减小；浮囊的吸能缓冲性能随弹性模量的增大而增强；当弹性模量从0.167GPa增加至0.667GPa时，浮囊的吸能百分比从10.1%提高至13.6%。

工程应用 | 织物剪切对盔壳复合材料弯曲性能的影响研究

摘要：飞行员头盔的佩戴和摘下都需要盔壳在弹性范围内发生一定的变形，通过工艺设计合理调整壳体刚度可提高头盔舒适性。本文研究了纬编双轴向织物的剪切变形对其增强的复合材料板材弯曲性能的影响。采用划区域方法研究了织物在头盔不同位置的变形情况，通过万能材料试验机和超景深显微镜对复合材料的力学性能及损伤形貌进行表征。结果表明，复合材料的弯曲刚度受剪切变形影响较大，随剪切角增大表现为先上升后下降再升高的趋势。复合材料的弯曲强度受剪切变形影响较小，当剪切角为20°~ 30°时，复合材料的弯曲强度降至最低。本文研究证实利用织物的剪切变形可有效调整复合材料的刚度，可为头盔壳体刚度的优化设计提供参考。

工程应用 | 高压涡轮盘螺栓孔疲劳模拟件设计及试验

摘要：航空发动机关键件采用模拟件开展试验可在一定程度上替代真实结构试验，从而大幅节省试验周期和成本。为满足某型发动机高压涡轮盘定寿需求，减少真实轮盘低循环疲劳的试验成本，本文采用考虑应力梯度影响的结构特征模拟件设计方法，设计了该发动机高压涡轮盘螺栓孔部位的结构特征模拟件，开展了特征模拟件及轮盘真实结构的低循环疲劳试验；对于模拟件试验结果，应用统计学方法得到了具有一定置信度和可靠度的模拟件寿命和分散度，采用该分散度计算得到的模拟件安全循环寿命和轮盘实际试验结果相比，模拟件安全循环寿命小于轮盘实际低循环疲劳寿命，误差为14.69%，该螺栓孔模拟件设计及低循环疲劳试验研究可用于指导实际轮盘的定寿工作，具有一定的工程参考价值。

工程应用 | 基于耦合特性的多四旋翼协同吊挂系统分布式自适应滑模控制

摘要：多四旋翼协同吊挂系统(MQCSS)的编队运输能提升搬运效率与安全性，实现灵活操控，广泛应用于生产、物流等领域。针对存在未知扰动的MQCSS的编队运输问题，本文提出一种基于耦合特性的分布式自适应滑模控制方法。结合预设性能方法，设计自适应滑模控制器以确保四旋翼飞行器执行编队飞行运输，并避免四旋翼飞行器之间的碰撞。定义负载与四旋翼飞行器之间的耦合特性指标，设计了基于耦合特性的自适应滑模控制器，实现MQCSS的鲁棒协同运输。通过Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统所有跟踪误差的一致最终有界性。最后，通过数值仿真验证了所提方法的有效性。所设计的控制方法可优化多四旋翼协同吊挂系统的稳定性和精确性，实现高效、安全的物体搬运操作，推动物流和工业自动化技术的发展与应用。

工程应用 | 基于多特征融合的增强现实跟踪定位方法研究

摘要：针对大范围场景下增强现实辅助飞机装配作业，增强现实设备的移动空间定位精度与鲁棒性直接影响到装配引导过程。基于该背景，本文提出了一种综合点、线特征和人工标志的多特征融合的增强现实的同步定位与地图构建(SLAM)跟踪定位方法。首先，相邻两帧图像间检测人工标志同步提取和匹配点、线特征，采用人工标志计算恢复相机初始位姿，同时构建包含人工标志的初始地图；然后实时跟踪人工标志得到相机位姿初值，并通过相机观测到目标点的重投影误差求解最优相机位姿；即使相机跟踪丢失，也能够依靠场景中的人工标志信息辅助相机重定位；最后，通过地图中的人工标志约束信息提高回环矫正的准确率和减小空间定位的累积误差。在真实飞机装配场景和实验室环境下的测试结果表明，本文所提方法能有效提高SLAM定位精度和稳定性，使得移动场景下虚拟装配模型的虚实注册精度更高且鲁棒性更强。

工程应用 | 并列双座弹射火箭包尾焰冲击效应研究

摘要：对并列双座战机后弹射乘员受到先弹射座椅火箭包尾流场的冲击效应进行分析，可为后弹射乘员安全防护研究提供重要参考。本文以并列双座战机弹射座椅火箭包尾焰流场为研究对象，针对尾流场与飞机机舱在非稳态分离过程中复杂的多场交互问题进行研究，涉及火箭包尾焰射流在机舱受限空间内发展过程中的冲击、燃烧问题。基于计算流体力学（CFD）方法,建立了弹射过程中包含人-椅系统、机舱等运动边界的火箭包燃气流场数学物理模型，采用有限体积法进行数值离散，建立火箭包尾流场三维数值计算模型。分析先弹射乘员座椅火箭包尾流与机舱、座椅的相互作用，探究高温燃气流场速度、温度和压力等参数分布特性，并研究弹射过程中尾流对后弹射乘员的冲击效应，得到乘员身体表面压力、温度变化规律，研究结果在并列双座弹射系统中后弹射乘员防护设计中具有重要意义。

工程应用 | 基于四阶龙格-库塔法的多弹道并行计算研究

摘要：弹道计算是一类典型的计算密集型问题，在飞行器设计及航迹规划中起着至关重要的作用，对该问题的求解通常具有计算量大、耗时长等问题。为实现弹道解算加速，本文利用多线程并行计算技术设计了基于四阶龙格-库塔法的多弹道加速计算架构，通过任务划分将多弹道解算映射到不同的线程并调度至处理器内核。通过试验分析了多弹道计算关键因素的影响，试验结果验证了利用多核多线程并行加速架构可以在保证高精度要求下有效地提高多弹道计算效率，并且可应用于提高微分方程类问题的解算效率。

工程应用 | 空铁联运模式下不正常航班恢复的列生成算法

摘要：飞机的航班计划很容易受到不利天气条件、飞机技术问题、机组人员缺席和其他意外情况等因素的影响而中断，在航班恢复中，航空公司通常面临复杂的优化问题，需要在有限时间内重新规划飞机的路线，以最小化损失并防止中断蔓延。本文提出了一种恢复网络来生成飞机路线，并利用改进的列生成算法对飞机进行恢复，新算法在每次迭代中加入多个列，与每次只加入最小负简约成本所在的列相比，不仅减少了迭代的次数还提高了效率。此外，本文引入了空铁联运模式，将高铁运输融入航空网络，以加强航班的恢复过程。通过空铁联运，不仅可以降低取消航班的数量和总体恢复成本，还为航空公司提供更多灵活的运输选择。数值结果表明，与仅使用飞机恢复的传统模式相比，空铁联运恢复模式在减少损失和提高效率方面具有显著优势。