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关键词： 无人机图传   激光通信   自适应光学   光机结构设计   消热差  

摘要： 无人机激光通信具有速率快、容量大、抗干扰、机动灵活等优势,具有广阔的应用前景。激光通信技术理论上可提供高达几十Gbps的数据传输速率,使得无人机能够实时回传高质视频图像,非常适用于军事侦察、边境巡逻、森林防火等领域。但在通信过程中,大气湍流效应会对无人机图传性能造成严重影响,导致通信中断。自适应光学技术能够有效校正波前畸变,是降低大气湍流影响的关键技术之一。因此,结合无人机激光通信平台的特殊性,基于自适应光学补偿技术,研究大气湍流自补偿的无人机高清图传光通信系统终端光机结构具有重要的工程应用价值。 本文首先阐述了无人机图传光通信系统的组成及工作原理,分析了大气湍流对激光通信链路的影响机制;基于链路方程,对光学系统口径、发散角等参数进行分析计算;对比有波前探测和无波前探测两种自适应光学技术的原理与优缺点,确定有波前探测的校正方式。 其次,根据校正方式制定了光学系统总体方案。无人机端光学载荷包括通信发射光学系统、信标光发射光学系统、跟踪光学系统三部分。地面端光学系统包括信标光发射光学系统、光学天线、跟踪光学系统、波前探测光学系统、通信接收光学系统五部分。其中,地面端光学天线采用卡塞格林形式,结合折射镜组构成开普勒望远结构,兼顾体积与长出瞳距的需求;在倾斜镜和AO倾斜镜之间采用4f系统,实现光瞳衔接,降低光轴校正时的瞳面漂移影响;在波前探测器和变形镜之间采用双远心系统,构建两者的共轭关系,降低轴向误差对波前探测的影响;采用光学被动式消热差方法进行无热化设计,提高系统温度适应性。利用光学设计软件进行仿真研究,结果表明:系统像质优良、公差合理、温度适应性良好,波像差均低于1/10λ(λ=632.8nm)。 再次,根据光学系统布局,对无人机通信终端和地面通信终端展开结构设计。对无人机方位框架进行模态分析,其一阶模态为321.65Hz,满足频率设计要求;对天线主镜进行热力耦合分析,10℃～40℃范围内、水平0°和竖直90°两种工作状态下的面型误差均低于1/40λ(λ=632.8nm)。 最后,搭建了测试实验对卡式天线进行波像差检测,检测结果优于1/10λ(λ=632.8nm)。此外,开展了室内静态和外场动态图传实验。经校正,室内静态平均接收功率由11.3μW提高到13.9μW;外场动态平均接收功率从18.6μW提高到21.7μW,两次实验通信速率均达到0.80Gbps。实验结果验证了系统的高清图传性能和湍流校正能力,证明了光机结构设计的合理性。

关键词： 高超声速边界层   转捩控制   合成射流   定常吹吸气   贝叶斯优化  

摘要： 高超声速边界层转捩后的壁面摩阻和热流会上升至层流状态的3-5倍。当前,转捩机理与控制已成为制约高超声速飞行器技术发展的关键科学问题之一。本文针对马赫数为5.86的高超声速平板边界层,采用直接数值模拟方法进行了基于合成射流、定常吹吸气的转捩主动控制研究,并详细分析了各控制措施的控制规律,重点揭示了内在的线性、非线性控制机制。在此基础上,基于贝叶斯优化方法进行了定常吹吸气的优化控制,实现了更有效的转捩延迟效果。主要的研究工作总结如下: (1)基于合成射流开展了马赫数为5.86的平板边界层第二模态基频共振转捩控制研究。研究表明合成射流可以有效地抑制第二模态,从而抑制二次失稳致使转捩延迟。围绕第二模态控制开展的合成射流的幅值、频率和相位参数研究表明,提高合成射流的幅值和频率均可以增强对第二模态的抑制效果。然而,由于合成射流诱导的模态与原第二模态之间的非线性相互作用,当合成射流的频率并非第二模态频率或其1/2时,诱导出的差频、和频模态更不稳定,从而导致转捩抑制效果变差甚至促进转捩。合成射流的相位对控制效果的影响较弱。为了揭示合成射流的第二模态抑制机制,我们采用动量势理论和动能输运分析对控制前后的流动进行分析。结果表明,合成射流诱导的交替压缩/稀疏波会使部分声、涡组分向边界层外扩散。合成射流下游的声源项受到了最强的抑制作用,同时合成射流在流场中诱导的快声波会抑制第二模态的声组分源项。动能输运分析表明:一方面,部分声、涡组分被分散至边界层外与合成射流导致的非平行性有关;另一方面,由于非线性相互作用,与第二模态异频的合成射流会使部分第二模态的能量转移至其他频率的模态中,并总体上抑制第二模态的增长。 (2)系统研究了大幅值定常吹吸对模态、转捩的抑制效果并细致分析了控制机制。基于直接数值模拟和预解分析,分别研究了定常吹吸的幅值/流量对特征模态和最优扰动的控制效果。结果表明,当控制流量较低时,二维模态的控制效果临界频率与同步频率接近,而斜波的临界频率随着波数的提高而增大。提高控制幅值可以有效地拓宽抑制频率带宽。吹气会抑制高频扰动而促进低频扰动,吸气则相反。相较于吹/吸气流量,幅值对控制效果的影响相对较弱。最优扰动的控制结果与模态控制结果定性上取得了较好一致性。为了分析控制机制,我们推导了动量势理论中各组分的速度分量,并发现相较于动量脉动,速度脉动的幅值演化更好地反映了第二模态的声属性。声组分的脉动和涡、熵组分相位差使得速度脉动在吹气控制前振荡。吹气诱导的压缩波也会致使部分声、涡组分向边界层外传播。通过动能输运分析也发现,吹、吸附近的粘性耗散作用增强。最后,通过直接数值模拟证明了大幅值吹吸对随机扰动触发的高超声速平板边界层转捩的抑制能力。 (3)基于贝叶斯优化实现了高超声速边界层转捩优化控制。基于贝叶斯优化,我们对单组定常吹吸的位置和幅值以及双组定常射流的位置进行了优化,在随机扰动触发的边界层转捩中实现了约20%的转捩延迟效果。单组吹吸的最优控制幅值约为4%来流速度,优化控制位置位于转捩主导的第二模态同步点下游。双吹吸的优化控制位置分布在单吹吸最优控制位置附近,同时,最优控制效果与总幅值呈正相关关系。为了分析最优控制的内在控制机制,通过预解分析对控制前后的平均流进行了分析,结果表明最优分布的吹吸可以大幅抑制第二模态,同时轻微抑制大部分频率-波数区间的第一模态。最后,结合小波双谱分析,我们发现未控制时转捩过程中第二模态和第一模态之间的非线性相互作用会促进第一模态的增长,而控制之后,由于第二模态被抑制,非线性相互作用减弱,致使第一模态导致的A状涡在吹吸下游一段距离内未增长,从而导致转捩被有效延迟。

摘要： Wild Capture fishing has dominated the seafood supply well up to the 21st century but gradually has become unjustifiable due to overfishing and ocean stock depletion. Nationally and internationally, farmed fish producers are seeking to move into deeper offshore waters to mitigate environmental impacts, which exposes infrastructure to much more energetic wave conditions. This thesis investigates a new type of floating breakwater intended to protect from such wave conditions. Both physical and numerical models were developed for this purpose. Two of Australia’s largest producers of Tasmanian-grown Atlantic salmon have developed fish pen systems in response to a frequent need to keep predators out, provide workers with a safe platform, and allow farming further offshore. Both groups utilise high-density polyethylene (HDPE) floating flexible collar pens. These HDPE pipes are widely used as the primary material for constructing floating pens but are currently waste material after their use in cages. The thesis investigates the reuse of that HDPE piping to form a floating parabolic beach for wave energy dissipation to minimise the challenging environmental loads of the open ocean on fish pens. Several scaled conceptual designs of a Floating Breakwater (floating breakwater) were developed using off-the-shelf agricultural polyethylene irrigation piping tubes, which have an appropriate scale and stiffness to simulate the commercial HDPE used in the aquaculture industry. The performance of the new floating breakwater is compared to that of existing wave energy attenuators by comparing transmission coefficients, kt, given in the literature with the laboratory results. A computational (numerical) fluid dynamic analysis was conducted using the FLOW-3D Hydro software suite. The wave dissipation performance and the transmission coefficients kt were measured and analysed compared to the experimental results and the values in the literature for traditional floating breakwater des

摘要： 海洋天然是一个流动系统，关于海洋的流体力学研究可以分成两类，一类是研究海洋流动本身，可称为海洋流体力学；另一类是各种水面、水下、海底、跨介质航行体和固定装备与海洋流动的耦合，可称为海洋流体工程。两类研究互为支撑，体现了流体力学研究在海洋领域重要的科学意义和工程应用价值。这两类研究都有非常丰富且多样化的研究方向，本专栏专注于海洋流体力学中的波动和湍流过程。海洋中的流动过程包含非常丰富的时空尺度。从整体上看，海洋水体的深度远小于水平尺度，因此二维湍流系统已经可以揭示某些大尺度流动机制。在中尺度上，旋涡及其与其他流动过程如波的相互作用，影响着海

关键词： 精准教学   初中物理   试卷讲评   实施策略  

摘要： 初中物理作为培养学生科学素养的基础课程之一，其教学效果直接影响着学生的物理学习质量和思维能力发展。而试卷讲评课作为物理教学的重要环节，对学生掌握知识点和提高解题能力具有重要作用。然而，传统的试卷讲评课往往忽视了学生的个体差异和需求，导致教学效果不尽如人意。在新课改背景下，文章就初中物理试卷讲评课中如何实施精准教学进行简要分析，探究如何有针对性地帮助学生提高学习质量。

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关键词： 动力补能高超声速飞行器   勒让德伪谱法   凸优化  

摘要： 高超声速飞行器在再入过程中受大气阻力的作用,飞行速度和高度不断下降,适时点火产生推力补充飞行能量,能使飞行器长时间维持在临近空间飞行。发展多次点火的动力补能高超声速飞行器,有助于续航能力提升和应对突发任务,但由于推力非连续的特性致使飞行规律复杂多变,通过模拟和分析飞行器在不同轨迹下的运动特性,可以验证其性能和稳定性,寻找其在各种飞行条件下的飞行规律。高超声速飞行器轨迹运动研究主要集中在再入段,因此本文主要关注动力补能高超声速飞行器在再入段的轨迹运动,通过研究动力补能轨迹优化方法,可以探索动力补能高超声速飞行器再入轨迹运动特性,为飞行器设计和改进提供重要依据,主要包括如下内容: (1)动力补能高超声速飞行器轨迹运动模型。动力补能高超声速飞行器在滑翔段和补能段有着不同的动力模型,针对补能工程问题数学表达需求,构建非连续推力作用下的滑翔补能轨迹问题的数学模型。 (2)基于伯克霍夫良态伪谱法的轨迹优化方法。针对勒让德伪谱法求解稳定性不足、冗余计算等问题,提出结合一阶伯克霍夫伪谱积分矩阵的良态伪谱法,解决数值求解冗余迭代问题。 (3)基于勒让德伪谱凸优化的轨迹优化方法。针对伪谱非凸非线性规划问题求解中存在的计算效率低和可行解是否存在的难点,结合具有强收敛性的序列凸优化方法,凸化非凸伪谱非线性规划问题,引入松弛量和自适应置信域更新方法,增强求解能力,解决求解速度慢和可行解寻找困难的问题。 (4)滑翔补能轨迹优化。针对高超声速飞行器轨迹优化方法存在的伪谱法计算效率低、再入轨迹机动性不足等问题,进行动力补能轨迹优化方法研究。针对两次补能场景下的滑翔补能再入轨迹问题,提出了基于伪谱法良态思想和凸优化原理的轨迹计算方法,完成动力补能高超声速飞行器再入轨迹问题的求解。 本文重点研究动力补能高超声速飞行器在再入段的轨迹运动,首先根据动力补能工程问题数学表达需求,构建了滑翔补能轨迹问题的数学模型;然后开展了基于伪谱良态思想和凸优化加速计算的轨迹优化方法研究,建立轨迹优化方法理论;最后在两次补能场景下进行动力补能高超声速飞行器再入滑翔补能轨迹问题的求解,结果显示相同条件下无禁飞区场景下的补能再入轨迹航程是滑翔再入的1.13倍,禁飞区场景下相同条件补能绕飞航程对比滑翔绕飞提升了15%,且优化结果均满足各项飞行约束。

关键词： 高超声速飞行器   跟踪控制   线性自抗扰控制   反步控制   反向传播神经网络  

摘要： 高超声速飞行器因其卓越的飞行速度和出色的突防能力,在航天与军事领域备受瞩目。特别是在近期的“俄乌冲突”中,俄罗斯多次使用“匕首”高超声速导弹,实战效果显著,凸显了其在军事上的关键价值。然而,由于高超声速飞行器所固有的强耦合性、强非线性和强不确定性等特点,极大地增加了设计其飞行控制系统的难度。本文以高超声速飞行器的跟踪控制问题为研究中心,主要包含以下研究内容: 第一,通过定义相关坐标系并确立各坐标系之间的转换关系,建立了高超声速飞行器六自由度刚体动力学模型。在此基础上,分析了高超声速飞行器在爬升段和巡航段的飞行特点,并据此推导出其纵向动力学模型,为控制器的设计奠定了基础。 第二,针对高超声速飞行器的姿态跟踪控制问题,设计了自适应控制和线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)相结合的复合控制方案。使用线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)对姿态系统的扰动进行估计,并使用比例微分控制器(Proportional Derivative,PD)进行补偿。此外,为了减小PD控制器参数偏差造成的系统跟踪误差,引入了自适应控制来对PD控制器参数设计自适应控制律,使得控制器参数可以实时调整。使用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论证明了系统的稳定性。最后,通过与LADRC控制方案进行仿真对比,证明了所设计的控制方案不仅可以加快系统的动态响应速度,在存在扰动的情况下,还可以有效减小系统稳态误差。 第三,基于反馈线性化原理,将高超声速飞行器纵向动力学模型转化为严格反馈的形式,并将其分为了高度子系统和速度子系统。然后使用LESO对高度和速度通道中存在的不确定性扰动进行了实时观测。在此基础上,针对两个子系统分别设计了反步控制律,用其代替LADRC中的线性状态误差反馈控制律(Linear State Error Feedback,LSEF),以实现对扰动的在线补偿,有效提高系统的控制性能。系统的稳定性通过Lyapunov稳定性理论进行证明。最后通过仿真实验,验证了在存在外部扰动的情况下,高超声速飞行器仍可以稳定的跟踪给定高度和速度指令信号。 第四,为解决LESO因带宽受限引起观测误差增大的问题,使用反向传播神经网络根据高超声速飞行器的高度与速度的跟踪误差及其微分对LESO的带宽值进行调整,提高LESO对扰动的观测精度。为了解决反步控制在遇到系统内部参数摄动时系统稳态输出可能会出现波动较大的问题,提出了一种改进积分滑模控制策略,积分滑模面的使用不仅减小了稳态误差,还有效抑制了滑模控制中的抖振现象,从而提高了控制系统的稳定性。此外,使用LESO观测高度子系统和速度子系统中的扰动并在滑模控制律中进行补偿。系统的稳定性通过Lyapunov稳定性理论进行证明。最后,在系统内部参数摄动和外部不确定性扰动作用的情况下,通过与滑模LADRC控制方案进行仿真对比,仿真结果表明所设计的控制方案可以减小系统的稳态跟踪误差,有效提高系统的鲁棒性。