专刊/专栏

多飞行器攻击时间一致性协同制导进展综述与展望

董希旺, 于江龙, 化永朝, 李清东, 任章

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0368

2022, 48(9): 1836-1844

摘要

攻击时间一致性协同制导是协同制导的一个重要分支。综述了多飞行器攻击时间一致性协同制导的主要研究成果和方法分类。对攻击时间一致性协同制导的战术意义进行了分析；按照目标的运动形式，分为对固定目标的攻击实现一致性协同制导和对运动/机动目标的协同制导2类问题；归纳了国内外对这2类协同制导问题的主要研究成果，从研究方法层面综述各种协同制导方法的优缺点及其适应的问题场景；对攻击时间一致性协同制导方向的相关技术挑战进行了总结，并对未来发展方向进行展望。

基于层次分析的信息物理网络多维攻击损毁评估

洪晟, 岳天羽, 李新建

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0137

2022, 48(9): 1827-1835

摘要

由于信息物理网络交叉互联、多重连接的特点，易成为网络攻击的对象目标。通过对信息物理网络的网络体系架构和网络应用特点进行相关研究，提出了一种信息物理网络多维攻击损毁评估模型。将信息物理网络分为物理层、规则层、服务层3个维度，基于每个维度分别给出网络攻击损毁评估属性计算方法。通过对网络状态监测，可以得到拓扑稳定性、连通可用性、失效可控性，传输稳定性、丢包可用性、误码可控性，响应稳定性、业务可用性、风险可控性3个维度的攻击损毁评估属性。采用层次分析法得到信息物理网络3个不同维度及网络整体的攻击损毁评估结果，为信息物理网络的安全防护提供支撑与依据。模拟信息物理网络遭受分布式拒绝服务攻击，并采用所提方法进行攻击损毁评估，验证了所提模型的实用性和有效性。

飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

王丽珍, 刘景龙, 赵彦鹏, 卜伟平, 柳松杨, 樊瑜波

doi:王丽珍1, 2, 3, 刘景龙1, 2, 3, 赵彦鹏4, 卜伟平4, 柳松杨4, 樊瑜波

2022, 48(9): 1818-1826

摘要

为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响，基于头颈部多刚体动力学模型，对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数Nij的变化规律，对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明：所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合，可以用来进行仿真模拟分析；相同飞行工况下，B头盔的佩戴使得头部质心前移，增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力；对于同一颈椎节段，B头盔的轴向压缩力最大，而C头盔导致的后伸力矩最大；在所有的计算工况中，上下颈椎的颈部损伤指数Nij均小于0.5，满足航空领域的安全要求；B头盔和C头盔的质量相近，而B头盔质心位置靠前，C头盔靠后，说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。

无人机高机动抗扰轨迹跟踪控制方法

王英勋, 宋欣屿, 赵江, 蔡志浩

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0216

2022, 48(9): 1806-1817

摘要

针对传统的四旋翼控制方法在高机动飞行时控制效果不佳，难以跟踪机动性较强的轨迹且控制精度较低的问题，设计了基于增量非线性动态逆控制(INDI)方法和微分平坦前馈的轨迹跟踪控制器，不仅提高了高机动轨迹的跟踪精度，也增强了抗扰能力。由于角加速度无法直接获得，该方法对其非常敏感，设计了多种角加速度估计方法进行对比，通过飞行试验选择了效果最佳的互补滤波方法。试验结果证明：设计的基于互补滤波的前馈INDI方法可以控制飞行器快速、准确地跟踪高机动轨迹，且具有较强的抗扰能力。

磷酸掺杂型高温质子交换膜燃料电池关键材料研究进展

相艳, 李文, 郭志斌, 张劲, 卢善富

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0575

2022, 48(9): 1791-1805

摘要

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于较高的工作温度(130~220℃)，具有较快的电极反应动力学、较强的抗燃料/空气中杂质毒化能力、广泛的燃料来源(甲醇重整气、工业副产氢等)及简单的水/热管理系统等优点。因此，HT-PEMFC将成为聚合物膜燃料电池的重要前沿发展方向之一。重点介绍了北京航空航天大学团队近十年来在HT-PEMFC关键材料-高温膜、催化层和膜电极等方面的研究进展，针对磷酸(PA)掺杂型高温膜的质子传导率和机械性能之间的最佳平衡点、催化层中PA分布和迁移对电池性能的影响机制，以及大尺寸膜电极一致性对电堆性能影响与衰减机制等科学问题，从聚电解质膜材料的分子设计、有序催化层结构调控和大尺寸膜电极电堆优化等工作进行了梳理，对HT-PEMFC技术所面临的技术挑战问题与未来发展趋势做出了评述和展望。

仿生减阻表面的进展与挑战

刘明杰,, 吴青山, 严昊, 于存明, 蔺存国, 张金伟, 赵天艺

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0295

2022, 48(9): 1782-1790

摘要

减阻表面由于其在海洋船舶、管道运输、飞机和国防军事等各个领域展现出的巨大潜力和广泛的应用前景而受到越来越多的关注。自然界中的动植物进化出了许多独特的形态或表面结构，均展现出了卓越的减阻性能。对近年来受海豚表面启发的顺服表面减阻、鲨鱼皮表面启发的微结构减阻及受荷叶表面启发的超疏水减阻等进行了总结，并介绍了这些技术的研究进展、减阻机理和挑战，对目前仿生减阻表面的研究进行了总结与展望。

基于电润湿液体透镜的显微成像技术

王琼华, 袁荣英, 刘超

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0302

2022, 48(9): 1774-1781

摘要

电润湿液体透镜因其焦距可调、响应速度快、操作方便和功耗低等特点越来越受到研究者的青睐，可以解决显微成像系统中诸如机械抖动、离散变焦等技术问题，推进显微成像系统向智能化、轻量化发展。阐述了电润湿液体透镜的基本概念和国内外研究现状；重点综述了基于电润湿液体透镜的显微成像技术的最新研究，详细介绍了连续光学变焦和轴向扫描2类显微成像技术；总结和展望了基于电润湿液体透镜的显微成像技术的机遇和挑战。

基于电磁超声横波的管道剩余厚度检测

徐立军, 刘福禄, 丁一清, 李正勇, 谢跃东

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0301

2022, 48(9): 1767-1773

摘要

为实现管道剩余厚度的精确检测，设计了一种基于电磁超声横波的非接触式管道厚度检测系统。采用自研的电磁超声大功率激励源与换能器产生测厚横波，并由接收器对回波电压信号进行实时滤波和处理，得到铝制管道的精确剩余厚度。针对电磁超声回波的小信号和低信噪比对激励线圈参数进行优化，在此基础上对横波声束在圆形管道界面辐射特性进行分析。根据换能器线圈匝数、线圈宽度分别为回波信号峰峰值和信噪比的最大影响因子，设计优化后检测换能器并实现了误差小于0.2%的剩余厚度检测。

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

杨立军, 黄东骐, 韩旺, 李敬轩, 富庆飞

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0608

2022, 48(9): 1757-1766

摘要

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中，推进剂射流失稳与雾化是起始环节，会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究，但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟，分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响，阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现，所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率，其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大；在流动拓扑结构影响下，液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外，UFC主要产生拉伸应变率，而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明: 射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响，UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率，进而促进片状或管状结构液体结构生成，从而引起液体射流破碎。

新型扭簧电连接器的确信可靠性正向设计优化

康锐, 刘浩然, 张清源, 余丽, 翟国富

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0323

2022, 48(9): 1745-1756

摘要

新产品正向设计需综合考虑新结构工艺、多设计变量、复杂工作环境的影响，并合理量化不确定性影响，评估可靠性水平，从而在源头上确保高可靠性。基于确信可靠性理论，研究了基于性能裕量的确信可靠性正向设计优化方法。提出了面向新型扭簧电连接器研发的确信可靠性正向设计优化基本流程，包括设计变量初值优选、性能裕量建模、不确定性量化和确信可靠性分析与优化4部分。以某新型扭簧电连接器的正向设计为例，基于正交实验、响应面建模和模拟退火启发式优化等方法实现了多维离散-连续变量及其不确定性作用下的优化设计。

面向智能化管理的数字孪生电池构建方法

杨世春, 李强伟, 周思达, 张正杰, 马源, 陈飞

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0593

2022, 48(9): 1734-1744

摘要

动力电池在长时宽温域运行时，其使用性能、寿命和安全性随时间动态演变，存在单体性能不一致、系统容量快速衰减或内部缺陷诱发的电池热失控等问题，需要全气候、全生命周期电池精准管理技术。突破智能化管理的数字孪生技术、构建数字孪生电池为提升电池管理能力带来了新的解决方案，已逐步成为行业发展趋势之一。围绕动力电池精细化管理技术发展趋势，针对数字孪生动力电池构建需求，从系统建模与管控需求等方面分析了数字孪生电池建模的基本准则，系统性阐述多维度、多尺度、多物理场融合的数字孪生电池的构建方法，并结合团队前期研究分析了某电池数字孪生的实践案例，探索了数字孪生电池在生产设计、全生命周期管理等场景下的应用可能性，为电池管理技术发展提供思路与参考。

自动铺丝成型构件缺陷在线检测技术进展

丁希仑, 罗伟恒, 刘斐, 王国栋, 陈维强, 张武翔

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0307

2022, 48(9): 1721-1733

摘要

自动铺丝(AFP)工艺为连续纤维增强复合材料结构提供了高效和稳定的成型方法，但铺放工艺参数和成型装备性能的不稳定极易造成制件出现间隙、重叠、纤维波纹等各类缺陷，从而严重影响整体结构的机械性能及使用寿命，因此，利用在线检测系统对成型过程中铺层表面或内部缺陷进行实时识别与评估尤为重要。归纳了复合材料铺放过程中常见缺陷的产生原因、表现形式及其对结构产品综合性能的影响。基于不同检测原理综述了复合材料制件自动铺丝成型过程在线检测系统的发展及应用特点，涵盖激光技术、可见光图像技术、热成像技术及布拉格光纤光栅技术等。总结了当前在线检测系统存在的问题，并展望了其未来发展趋势。

运动信息引导的目标检测算法

胡海苗, 沈柳青, 高立崑, 李明竹

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0291

2022, 48(9): 1710-1720

摘要

在室外监控视频的场景下，由于场景的复杂性及目标的多样性，监控视频中的目标存在难以检测的情况，如目标被遮挡、目标尺寸变化等，目标检测任务仍然存在挑战。基于此，提出了一种利用运动信息引导基于卷积神经网络的目标检测算法来提高目标检测的准确率。对运动目标检测算法进行一定的改进，使得到的运动前景图中能够保持静止目标前景的存在；利用运动前景图中的前景可以指示目标空间位置的特点，在特征层面将网络提取的特征图与获取的以运动前景图为主的运动信息相融合，提高特征图可能存在目标区域的响应值；在目标检测算法的检测器中，引入一个定位分支，利用视频帧的运动前景图，学习候选目标的定位置信度，并与目标的分类置信度加权求和，作为目标最终的置信度，再通过非极大值抑制方法得到检测结果。实验证明，在固定摄像机下采集的数据集中，所提算法能够提升目标检测的准确率。

旋转部件SGBEM-FEM耦合热弹性断裂分析

董雷霆, 贺双新

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0140

2022, 48(9): 1702-1709

摘要

旋转部件载荷复杂，易萌生裂纹，引发疲劳断裂失效。针对含裂纹受热旋转部件，在全局无裂纹区域使用有限元法(FEM)，发挥其在大型结构仿真分析方面的优势；在裂纹附近局部子域使用对称伽辽金边界单元法(SGBEM)，发挥其在结构断裂分析方面的优势。构造考虑旋转惯性载荷和热载荷影响的SGBEM超单元，该超单元刚度矩阵对称半正定，且施加的旋转惯性载荷和热载荷仅影响等效力向量，可实现与有限元刚度矩阵和力向量的直接装配，从而耦合求解旋转部件的热弹性断裂问题。采用构造的SGBEM超单元FEM耦合法计算了含裂纹受热旋转圆盘的应力强度因子，验证了该方法的有效性。

时间积分方法的研究进展与挑战

邢誉峰, 季奕, 张慧敏

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0288

2022, 48(9): 1692-1701

摘要

时间积分方法是动力学常微分方程的一种有效数值求解工具，广泛应用于航空航天、土木工程、机械制造等工程领域的动力学分析。介绍了近几十年来时间积分方法的研究进展。回顾了该领域的经典工作，包括级数展开法、Runge-Kutta法和Newmark方法；介绍了为解决经典时间积分方法在精度、效率、耗散和稳定性方面的不足而发展出的先进时间积分方法，主要包括参数方法、高阶无条件稳定方法、保能量方法、线性多步法、复合方法和BN稳定型方法；分析比较了已有方法的性能特点和适用范围，指出了时间积分方法发展中值得关注的若干问题。

基于边界元法的三维结构体滑跳运动数值仿真

杨超, 姜宇, 吴志刚

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0141

2022, 48(9): 1678-1691

摘要

利用滑跳运动实现近水面高速机动飞行的击水式飞行器是近年来的热点问题，三维结构体高速斜入水冲击载荷求解是滑跳运动数值仿真的关键步骤。针对滑跳运动开展研究，建立了一种基于边界元法的可以考虑结构弹性效应的三维结构体近水面滑跳运动时域数值仿真方法。高速斜入水冲击载荷由边界元法求得，利用状态方程直接积分法求解得到结构节点位移动力响应，并通过滑跳运动动力学模型更新结构体的质心位置及运动速度。针对钢球高速斜入水冲击现象进行数值仿真并与试验结果对比，验证了所提方法的准确性。开展三维刚性球冠体的近水面滑跳运动时域数值仿真和变参分析，得到了结构质量、初始高度、水平抛出速度和半径大小4种参数对球冠体滑跳运动的影响规律。考虑结构弹性效应后，高速斜入水冲击载荷减小，对球冠体滑跳运动也有一定影响。

超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统研究进展

邹正平, 王一帆, 姚李超, 刘火星, 许鹏程, 李辉

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0196

2022, 48(9): 1643-1677

摘要

超临界二氧化碳(SCO2)闭式布莱顿循环凭借高热效率、高紧凑性和高经济-环保性等优势，已成为能源与动力领域的热点技术之一。针对超临界二氧化碳闭式布莱顿循环，详细介绍了工作原理、优势及国内外相关研究进展，总结了循环总体热力、超临界工质叶轮机、紧凑高效换热器、控制及储热等相关关键技术的研究现状，并对当前工程应用面临的问题和未来技术发展方向进行了分析和展望。分析表明，循环总体热力设计阶段应涵盖部件低维性能分析，以评估部件性能指标的可实现性，并综合考虑全寿命周期性能、紧凑性、经济性等指标。工质的剧烈物性变化导致叶轮机与换热器内部特殊流动与换热机理，需发展充分考虑工质特殊物性影响的叶轮机和紧凑换热器设计方法；通过理论分析和机器深度学习相结合构建不同工质叶轮机相似方法，可为超临界二氧化碳叶轮机气动性能试验验证提供理论基础。此外，鲁棒高效的控制策略可实现超临界二氧化碳闭式布莱顿循环有效可靠调控，而集成新型介质储热技术的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统将为高温光热发电提供关键技术支撑。

重油航空活塞发动机燃油喷射技术

丁水汀, 邵龙涛, 赵帅, 朱锟, 杜发荣, 周煜

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0012

2022, 48(9): 1630-1642

摘要

燃油喷射技术作为航空活塞发动机的关键技术之一，其结构形式及特性直接影响航空活塞发动机的整机性能，随着通用航空对发动机性能要求的不断提升，燃油喷射技术的发展也在不断延续。综述了当前各种重油航空活塞发动机采用的燃油供给系统，对其适用的经典机型进行了梳理，总结了各种燃油供给系统的优缺点。阐述了研究重油喷射技术采用的前沿理论、仿真计算及试验方法，分析了研究重油雾化过程存在的难点，给出了研究重油喷射技术的相关建议。提出了未来重油航空活塞发动机发展思路和关键技术，重点希望对重油航空活塞发动机的正向研制提供技术指导，推动中国通用航空的可持续发展。

基于指数平均动量鸽群优化的多无人机协同目标防御

段海滨, 仝秉达, 刘冀川

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0308

2022, 48(9): 1624-1629

摘要

针对多无人机(UAV)协同目标防御问题，提出了一种基于指数平均动量鸽群优化(EM-PIO)算法。针对三维空间中的多无人机协同目标防御系统进行建模，得到了无人机支配区域的曲面约束方程，并获得了双方无人机的最优控制输入量。采用多级罚函数法构造了优化算法的目标函数，并通过所提出的EM-PIO算法来求解最优目标点。将所提EM-PIO算法与遗传算法(GA)和粒子群优化(PSO)算法进行仿真对比实验，验证了所提EM-PIO算法更加有效解决多无人机协同目标防御问题。

飞机液压泵二维性能退化的可靠性评估

王少萍，陈仁同，张超

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0297

2022, 48(9): 1613-1623

摘要

飞机液压泵为飞机操纵、起落架收放和刹车提供高压能源，其安全性和可靠性至关重要。针对飞机液压泵二维退化可靠性评估问题，构建了基于液压泵微观表面混合润滑的转子-配流盘摩擦副和轴尾密封副的摩擦磨损退化模型，基于统一随机过程模型描述2个性能指标的退化规律，利用Copula函数表征二维性能退化的相关关系，使用贝叶斯马尔可夫链蒙特卡罗法得到其考虑二元相关退化模型的未知参数估计，进而对飞机液压泵进行了可靠性评估。通过液压泵回油流量及轴尾密封摩擦力矩2个性能退化指标的实际退化数据，验证了所提出的理论和方法。结果表明，考虑2个性能退化指标相关的退化模型有效提高了可靠性评估及寿命预测精度。

基于“时间-特征”协同注意力的机场快轨客流预测

杜文博，石婉君，廖盛时，朱熙

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0321

2022, 48(9): 1605-1612

摘要

机场快轨客流的准确预测是实现机场轨道交通系统智能化、精细化、高效化管控的基础，对提升机场服务水平和运行效率有着重要意义。由于影响因素众多、相互耦合，且因素对客流时序影响机理复杂，机场快轨客流的准确预测极具挑战。提出了一种基于“时间-特征”协同注意力机制的机场快轨客流预测模型，实现了精准捕捉多维因素在不同时序上对机场快轨客流的影响。基于北京首都国际机场快轨实际客流数据进行实验，结果表明了所提方法的有效性。

星基ADS-B系统及关键技术发展综述

张学军，谭元晧，李雪缘，简鑫慧

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0309

2022, 48(9): 1589-1604

摘要

广播式自动相关监视(ADS-B)系统是国际民航组织在空管全球化的背景下提出的新一代监视技术。相较陆基系统，星基ADS-B系统能够实现全球空域覆盖，可增强现有空管系统能力，促进国家低空空域开放与通航产业发展。概述了星基ADS-B的由来、概念及运行原理；介绍了星基ADS-B系统国内外发展概况与发展历程；针对微弱信号解调、多波束接收、解交织、防欺骗、星座设计、路由转发算法及监视性能评估等星基ADS-B关键技术梳理了国内外相关研究现状，介绍了北京航空航天大学联合团队在星基ADS-B上的研究工作与发射试验星情况；结合未来星基空管技术发展与应用需求对星基ADS-B系统发展趋势进行总结与展望。

材料基因工程加速新材料设计与研发

孙志梅，王冠杰，张烜广，周健

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0318

2022, 48(9): 1575-1588

摘要

在未知材料化学成分和性能关系的情况下，通过传统的“试错-纠错”方法研发具有特定功能的新材料成本高且经常失败。随着人工智能和数据驱动的第四科学范式的发展，材料基因工程(MGE)已经成为材料设计与研发的新模式。综述了材料基因工程中高通量计算、材料数据库和人工智能方法的研究进展。介绍了材料高通量计算常用的框架和方法; 阐述了材料数据库在材料数据类型和数据标准两方面的发展现状和有待解决的难题; 总结了人工智能方法在材料关键基础问题中的应用。从高通量可视化计算方法、材料多类型数据库和可视化机器学习框架三方面重点证述了自主开发的多尺度集成可视化的高通量自动计算和数据管理智能平台ALKEMIE。展望了材料基因工程未来的发展趋势。

从网格到“东数西算” : 构建国家算力基础设施

钱德沛，栾钟治，刘轶

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0715

2022, 48(9): 1561-1574

摘要

简要回顾了几十年来计算机使用方式的变迁，介绍了基于网络计算技术的国家高性能计算基础设施CNGrid的设计与实现。讨论了在“东数西算”战略工程背景下中国算力发展的新趋势，以及国家算力基础设施发展面临的新的技术挑战，并对中国未来超算应用生态和算力基础设施建设提出了展望。

复杂电磁环境辐射-散射耦合场快速预估方法

苏东林，崔朔，白江飞，李尧尧

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0705

2022, 48(9): 1553-1560

摘要

针对复杂电磁环境中目标散射体和干扰辐射源同时存在，影响目标回波散射场的问题，提出了一种基于辐射源方向图和极化散射矩阵数据的耦合场快速预估方法。利用可提前独立获取和加载的辐射源方向图及目标各个方向的散射数据，实现了辐射-散射耦合场景下空间总电磁场的近实时快速预估。仿真计算了辐射源与散射体不同距离和相对强度下场景的总电场变化情况，验证了辐射-散射耦合效应对目标回波场存在显著影响。无需使用电磁计算方法对场景进行重新计算，满足复杂电磁环境内场仿真试验对实时提供数据的需求，具有工程应用价值。