一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法技术

本发明专利技术公开了一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法，包括以下步骤：根据初始猜想值定义测压孔初始位置；用CFD(计算流体动力学)计算飞行器头部的压力分布；基于FADS(Flush Airdata Sensin，嵌入式大气数据传感)系统空气动力学模型解算大气数据，多次重复取平均值与参考数据比较获得误差；进行价值函数的计算，通过羊群优化算法实现目标函数的最小化。本发明专利技术采用的羊群优化算法具备跳出局部最优解的能力，使获得最优解的质量更加可靠，利于全局择优；基于此特点，本方法能确定高超声速飞行器最佳的测压孔位置，从而提高FADS系统的测量精度和抗干扰能力。FADS系统的测量精度和抗干扰能力。FADS系统的测量精度和抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法


[0001]本专利技术涉及大气数据传感器检测位点的确定方法，具体是一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法。

技术介绍

[0002]以超燃冲压发动机为动力的吸气式高超声速飞行器，由于一体化的机身/推进系统设计，超燃冲压发动机对迎角极为敏感，需要准确测量。高超声速飞行的高热环境又限制了以空速管、风标式迎角传感器等为基础传统大气数据系统的应用。FADS系统通过安装在飞行器头部前端或机翼前缘的压力传感器阵列来测量迎角、侧滑角、动压、静压及马赫数等参数。通常，至少在飞行器头部(钝头体或圆锥体)的某一横截面上布置四只气压传感器，用于测量静压和攻角，而在钝头体或圆锥体的顶点处安置一只气压传感器用于测量总压。
[0003]压力孔阵列中，压力孔的数量、布局形式等对迎角、侧滑角、静压等大气数据参数的计算精确性有影响。传统的测压孔位置布局一般依靠经验进行选取。“计量学报”第25卷第3期第257
‑
261页文献《基于模糊逻辑的嵌入式飞机大气数据传感器测量位置优化设计》中以模糊逻辑为理论基础，结合大气数据的基本探测原理，设计了用于嵌入式大气数据系统中传感器测量位置进行优化设计的方法。该方法先建立优化准则，建立相应的隶属度函数，利用实数积算子运算得到最优的“站位”(测压孔的截面位置)。该方法一方面只能优化测压孔的截面位置，而同一个截面上的测压孔位置未进行优化；另一方面，总压、迎角、静压等参数的最优位置并不一致，该方法并未给综合这些参数的测压孔位置如何选取。此外，该方法还存在并未给出测压孔数量的优化准则、随着站点的增多实数积算子运算复杂程度迅速增加等局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法，通过建立综合性能指标并通过改进羊群优化算法能得到全局最优解，从而为吸气式高超声速飞行器FADS系统建立一套测压孔布局设计方法，以避免目前测压孔布局多依靠经验、缺乏理论支撑的不足。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
[0007]初始化：令当前计算次数k＝1，测压孔初始位置；
[0008]将测压孔的位置在笛卡尔坐标系中详细指出，并将笛卡尔坐标系中坐标转换为圆锥角和圆周角表示，飞行器头部(x
i y
i z
i
)位置对应圆锥角λ
i
和圆周角φ
i
，用圆锥角和圆周角表示测压孔位置，初始位置(x
i y
i z
i
)或(x
i
λ
i
φ
i
)的压力值记为P
i
；
[0009]当吸气式高超声速飞行器设计工作状态为α
r
＝2
°
，β
r
＝0
°
，Ma
r
＝7，运用CFD软件计算飞行器头部的压力分布得到压力值P
i
；
[0010]通过l次蒙特
‑
卡诺仿真来模拟压力测量误差对大气数据计算的影响，CFD仿真得到的压力值P
i
上加上分布式随机噪声作为压力测量模拟值，则有：
[0011]P
mik
＝P
ik
+ε
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中：ε
k
为在不同的孔和仿真次数中是不同的随机数，来自于一个基础的分布式随机数集，一个普通的分布式随机数用来作为压力噪声模型，分布式噪声的均值为零并在压力传感器满量程的1％范围内变动，本专利技术基于噪声的变化是参考驻点压力的1％，并通过这些“有噪声的压力值”用来计算迎角、侧滑角和驻点压力；
[0013]需要被最小化的价值函数J为测得的大气参数的函数，其综合性能指标由迎角、侧滑角和动静压性能指标的加权和组成，具体为：
[0014]根据表面压力模型：
[0015]p
i
＝q
c
(cos2θ
i
+εsin2θ
i
)+P
∞
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]气流入射角与迎角、侧滑角、圆周角和圆锥角的关系式为：
[0017][0018]令：
[0019][0020][0021]则式(3)为：
[0022]cosθ
i
＝a
i cosβ+b
i sinβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0023]将i、j、k三个孔的压力写成如下形式：
[0024][0025]即：
[0026](p
i
‑
p
j
)(cos2θ
j
‑
cos2θ
k
)＝(p
j
‑
p
k
)(cos2θ
i
‑
cos2θ
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)整理得：
[0027](p
k
‑
p
j
)cos2θ
i
+(p
i
‑
p
k
)cos2θ
j
+(p
j
‑
p
i
)cos2θ
k
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)将式(6)代入式(9)，得：
[0028][0029]两边同时除以cosβ(β≠
±
90
°
)有：
[0030][0031](1)迎角性能指标：
[0032]当i、j、k三个点在竖直中心线上时，φ
i,j,k
＝0,180
°
,此时bi＝0，式(11)简化为：
[0033][0034]当三个测压孔解算出的迎角越接近真实迎角，则式(12)左边越接近为0，因此，令这三个测压孔组合对应的迎角性能指标为：
[0035][0036]其中，每三个竖直中心线上的测压孔组合就能完成一组式(13)的运算，其中：上标l表示第l组三孔组合，对于九孔十字形布局，竖直中心线上共有5个孔，一共有中组合，即l＝1，
…
10，取他们的绝对值平均值作为最终的迎角性能指标：
[0037][0038](2)侧滑角性能指标
[0039]当选取的i、j、k三个点在水平中心线上时，φ
i,j,k
＝
±
90
°
,此时：
[0040]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全局择优的高超声速飞行器新型测压孔布局方法，其特征在于，具体包含以下步骤：初始化：令当前计算次数k＝1，测压孔初始位置；将测压孔的位置在笛卡尔坐标系中详细指出，并将笛卡尔坐标系中坐标转换为圆锥角和圆周角表示，飞行器头部(x
i y
i z
i
)位置对应圆锥角λ
i
和圆周角φ
i
，用圆锥角和圆周角表示测压孔位置，初始位置(x
i y
i z
i
)或(x
i λ
i φ
i
)的压力值记为P
i
；当吸气式高超声速飞行器设计工作状态为α
r
＝2
°
，β
r
＝0
°
，Ma
r
＝7，运用CFD软件计算飞行器头部的压力分布得到压力值P
i
；通过l次蒙特
‑
卡诺仿真来模拟压力测量误差对大气数据计算的影响，CFD仿真得到的压力值P
i
上加上分布式随机噪声作为压力测量模拟值，则有：P
mik
＝P
ik
+ε
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：ε
k
为在不同的孔和仿真次数中是不同的随机数，来自于一个基础的分布式随机数集，一个普通的分布式随机数用来作为压力噪声模型，分布式噪声的均值为零并在压力传感器满量程的1％范围内变动，本发明基于噪声的变化是参考驻点压力的1％，并通过这些“有噪声的压力值”用来计算迎角、侧滑角和驻点压力；需要被最小化的价值函数J为测得的大气参数的函数，其综合性能指标由迎角、侧滑角和动静压性能指标的加权和组成，具体为：根据表面压力模型：p
i
＝q
c
(cos2θ
i
+εsin2θ
i
)+P
∞
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)气流入射角与迎角、侧滑角、圆周角和圆锥角的关系式为：令：令：则式(3)为：cosθ
i
＝a
i
cosβ+b
i
sinβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)将i、j、k三个孔的压力写成如下形式：即：
(p
i
‑
p
j
)(cos2θ
j
‑
cos2θ
k
)＝(p
j
‑
p
k
)(cos2θ
i
‑
cos2θ
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)整理得：(p
k
‑
p
j
)cos2θ
i
+(p
i
‑
p
k
)cos2θ
j
+(p
j
‑
p
i
)cos2θ
k
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)将式(6)代入式(9)，得：两边同时除以cosβ(β≠
±
90
°
)有：(1)迎角性能指标：当i、j、k三个点在竖直中心线上时，φ
i,j,k
＝0,180
°
,此时bi＝0，式(11)简化为：当三个测压孔解算出的迎角越接近真实迎角，则式(12)左边越接近为0，因此，令这三个测压孔组合对应的迎角性能指标为：其中，每三个竖直中心线上的测压孔组合就能完成一组式(13)的运算，其中：上标l表示第l组三孔组合，对于九孔十字形布局，竖直中心线上共有5个孔，一共有中组合，即l＝1，
…
10，取他们的绝对值平均值作为最终的迎角性能指标：(2)侧滑角性能指标当选取的i、j、k三个点在水平中心线上时，φ
i,j,k
＝
±
90
°
,此时：a
i
＝cosαcosλ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖地波，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：