● 摘要
随着人类航空航天技术的不断发展，各国先后试飞了多种高超声速飞行器。高超声速飞行器将是未来飞行器的发展方向，对世界各国的空天发展战略、军事武器体系设置有重要的影响，将极大的推动航空航天技术乃至整个基础科学技术的发展。高超声速飞行器技术超前，涉及多个学科耦合产生的复杂物理行为。其中，热-结构/控制是高超声速飞行器设计中必须考虑的环节，对动力学建模和控制系统设计有重要的影响。本文以美国高超声速飞行器X-43A为研究对象，参考目前国内外的高超声速飞行器热-结构/控制耦合方面的研究成果，探索以结构刚度为切入点，研究结构刚度对控制系统的影响，从而为控制系统设计提供建议。本文中总结了飞行器结构刚度特性，结构刚度和动力响应关系，针对高超声速飞行器，分析其特有的热-结构/控制耦合关系；介绍目前世界上高超声速飞行器热防护系统，并处理得到热载荷，作为有限元载荷输入；利用有限元建模技术，建立有限元模型，得到热载荷和气动载荷作用下，飞行器机身弹性变形，并建立考虑机身弹性变形的飞行器运动方程，得到了飞行器弹性变形对飞行迎角和弹道倾角的影响规律；通过计算高超声速飞行器的固有模态、瞬态冲击振动、随机振动，考察高超声速飞行器控制制导元件的动力学环境。综合以上对高超声速飞行器热-结构/控制耦合特性的分析，本文得到热-结构/控制耦合关系，定量考察了结构刚度对控制系统的影响。本文成果可以作为动力学建模基础研究，应用到动力学建模和控制系统设计。