专刊/专栏

异种材料连接研究进展

冯吉才

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26413

2022, (2): 626413-626413.

摘要

异种材料构件因其可实现不同材料的优异性能组合，极大提高设计和生产的灵活性，满足现代工程结构的功能和性能要求，具有更高的技术和经济价值，在各领域有广阔的应用前景。因此，异种材料的可靠连接尤为重要。然而，异种材料往往因物理及化学性能差异较大导致连接困难。本文综述了异种材料钎焊、激光焊、电子束焊、电弧焊以及搅拌摩擦焊的国内外研究进展和应用现状，总结了各焊接方法在异种材料连接过程中的研究焦点。在此基础之上，对异种材料连接进行了总结和展望，拟为未来异种材料连接的研究方向和技术突破提供参考。

钢/铝异种金属点焊研究进展

谢泽豪, 李建宇, 陈树海, 黄继华, 杨健

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25118

2022, (2): 625118-625118.

摘要

钢/铝异种金属的复合结构具有轻量化兼具良好结构性能的优势，在航空、航天和汽车制造领域具有极大的应用前景。点焊是制造这种结构的重要技术手段。但是，钢/铝异种金属在焊接过程中会产生脆性金属间化合物，传统的电阻点焊连接钢/铝异种金属面临着巨大的挑战。对钢/铝异种金属的点焊技术的研究进展进行了广泛的调研，着重对电阻点焊技术、电阻铆焊技术、CMT点焊技术、超声波点焊技术和摩擦塞-铆复合点焊技术等技术的研究进展进行了系统比较与分析，并对钢/铝异种金属点焊技术发展趋势进行了展望。

TiB2-TiC-SiC复合陶瓷接触反应钎焊接头界面组织及力学性能

蔡小强, 王东坡, 王颖, 杨振文

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25006

2022, (2): 625006-625006.

摘要

采用Ti-Ni中间层体系对TiB2-TiC-SiC （TTS）复合陶瓷进行了钎焊连接，研究不同的钎料成分和保温时间对接头界面组织和力学性能的影响。结果表明：钎料成分变化会引起界面反应机制由Ti与TTS复合陶瓷反应为主的过程向Ni与TTS复合陶瓷反应为主的过程转变。采用Ti-24at% Ni钎料钎焊TTS复合陶瓷时，界面反应主要发生在Ti与TTS复合陶瓷之间，反应产物主要为Ti与TiB2反应形成的TiB以及与SiC反应形成的TiC和Ti5Si3。采用Ti-83at% Ni钎料钎焊TTS复合陶瓷时，界面反应主要发生在Ni与TTS复合陶瓷之间，尤其是与SiC的反应，反应产物主要为Ni2Si和C。此外，保温时间显著影响TTS/Ti-24at% Ni/TTS接头的界面组织和力学性能。随着保温时间的延长，接头中连续的Ti2Ni化合物消失，形成大量的TiB和Ti5Si3。与此同时，TTS复合陶瓷侧界面反应层逐渐增厚。在钎焊温度为1 040℃，保温时间为30 min条件下，采用Ti-24at% Ni钎料钎焊TTS复合陶瓷获得的接头室温抗剪强度最大，达到168±10 MPa，高温（800℃）抗剪强度达到81±18 MPa。

航空传感元件振镜激光钎焊界面组织及连接机理

李昊岳, 刘永江, 赵振兴, 李雪然, 蒋俊俊, 吴来军, 檀财旺, 宋晓国

doi:10.7527/S1000-6893.2020.25020

2022, (2): 625020-625020.

摘要

航空传感元件作为航空电子传感系统的核心零部件，在使用过程中常常需要将其引脚与导线进行连接。为了进一步改善产品的稳定与可靠性，探索性的提出使用振镜激光钎焊技术实现铂电阻器引线银丝与多股铜线的连接。当激光器处于连续CW模式和离焦量+10 mm的情况下，通过调整工艺，激光功率与激光作用时间在一定适配范围内，能够避免接头中产生填隙不良和过度溶蚀现象，获得可靠无缺陷接头。接头中界面组织主要由Cu-Ni固溶体、Cu-Zn相、Ag基固溶体及典型的Ag-Cu共晶组织构成。热力学计算结果表明：在界面处中Cu、Zn原子在化学势驱动下相互扩散，Cu-Zn相具有更大的析出驱动力。Ag原子从银丝向铜线一侧扩散，在富Ag区形成典型Ag-Cu共晶组织。

添加硼元素对Ni-25at% Si/Ti600接头组织性能的影响规律

李晓鹏, 韩瑞, 钱旭升, 张秉刚, 王克鸿

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25069

2022, (2): 625069-625069.

摘要

以高温钛合金和自共晶镍硅合金为母材，使用额外添加硼元素的Ti-Zr-Ni-Cu非晶钎料进行钎焊连接，针对硼元素含量和钎焊对接头界面结构和力学性能的影响进行探究。通过对Ni-25at% Si/Ti-Zr-Ni-Cu+B非晶钎料/Ti600接头的界面组织结构进行优化实现钎焊结构性能的提升，获得质量良好的钎焊接头。研究结果表明，通过引入硼元素可调控钎焊过程，继而获得TiB晶须，这种晶须能对Ti2Ni层产生复合强化的作用，进而使接头高温钛合金侧界面的残余应力明显下降，减缓接头开裂的速度，同时结合拔出强化方式对裂纹的扩展起到阻碍作用，从而提高接头的强度。1 213 K/10 min工艺条件下的镍硅合金/高温钛合金钎焊接头的平均强度高于不含硼元素增强的接头，达到84 MPa，同时确保在接头内部不会出现裂纹和孔洞，进而达到提升镍硅合金/高温钛合金钎焊接头质量的效果。

BNi71CrSi钎料钎焊Hastelloy N合金的接头组织和性能

闾川阳, 陈刚强, 唐夏焘, 贺艳明, 杨建国, 郑文健, 马英鹤, 李华鑫, 高增梁

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25040

2022, (2): 625040-625040.

摘要

采用无硼BNi71CrSi钎料实现了Hastelloy N合金的高质量真空钎焊连接。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对不同钎焊温度和保温时间下获得接头的微观组织及成分进行了分析。结果表明：Hastelloy N合金接头组成为：母材/扩散区/等温凝固区/非等温凝固区/等温凝固区/扩散区/母材。非等温凝固区主要由γ-Ni固溶体、Ni2Si和M6C组成（M=Ni，Mo，Si，Cr）；等温凝固区主要组成为γ-Ni固溶体；母材与等温凝固区之间的扩散区中基体为Ni基固溶体，析出相为M6C。随着钎焊温度的升高和保温时间的延长，非等温凝固区宽度逐渐减小，等温凝固区宽度逐渐增加，接头经历由3区域（无等温凝固区）→4区域→3区域（无非等温凝固区）的演化过程。此外，随着钎焊温度的升高，钎缝内硅化物数量减少，γ-Ni固溶体晶粒长大；随着保温时间的延长，接头中心位置的硅化物和碳化物数量减少，母材/等温凝固区之间扩散区内碳化物数量增加，尺寸变大。在所研究的钎焊工艺下，当钎焊温度1 240℃，保温10 min时获得的接头剪切强度最高（643.3 MPa），达到母材的87.4%；所有接头的断裂方式均为脆性断裂。

高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展有限元分析

杨夏炜, 彭冲, 马铁军, 温国栋, 王艳莹, 柴小霞, 徐雅欣, 李文亚

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25004

2022, (2): 625004-625004.

摘要

为了表征高温合金线性摩擦焊接头疲劳服役环境下疲劳裂纹的萌生及扩展行为，揭示裂纹扩展对接头失效的影响机制，基于有限元法研究高温合金线性摩擦焊接头疲劳裂纹扩展的行为及其重要影响因素。以接头失效内因（孔洞、硬质夹杂、残余应力）为研究对象，建立不同几何和位置特征的含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头有限元模型，研究不同特征下疲劳接头裂纹萌生及扩展的先后顺序，划分裂纹扩展重要因素等级。结果表明：含有初始孔洞及夹杂的疲劳接头裂纹萌生于孔洞及夹杂所在位置，初始夹杂接头试样裂纹均以"绕过"方式扩展，初始孔洞接头试样裂纹均以"横穿"方式扩展，孔洞及夹杂的位置特征对裂纹萌生位置及扩展方式影响较小，裂纹萌生、扩展及试样断裂的时间随着孔洞及夹杂尺寸的增大而提前。接头的残余拉应力加速裂纹的萌生及扩展，裂纹的萌生及扩展时间与拉应力呈正相关。

基于同质摩擦的涡流搅拌摩擦焊工艺

刘小超, 甄云乾, 何欣沅, 陈海燕, 申志康

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25012

2022, (2): 625012-625012.

摘要

涡流搅拌摩擦焊（VFSW）是一项新近提出的改型工艺，其利用与工件材料同材质的棒材和外加的支撑套筒作为搅拌工具进行搅拌摩擦焊接，有望在高熔点金属的固相连接、焊接修复等领域取得工程应用。研究了转速对6061铝合金涡流搅拌摩擦焊焊缝成形和接头力学性能的影响规律。试验结果表明，在30 mm/min的焊接速度下，当转速较低时焊缝背部出现弱连接，接头强度较低；当转速较高时因工件和搅拌工具之间的界面打滑而难以形成有效的涡流式材料流动，导致焊缝无法有效成形，出现表面线状缺陷；在400~800 r/min的转速范围内，可获得良好的焊接接头。随转速增加，焊核区体积先增大后减小，但热影响区体积逐渐增大。在完全焊透的前提下，热影响区是接头软化最严重的区域，同时也是拉伸试样的断裂部位。随转速提高，接头抗拉强度先升高后降低，断后延伸率则相反。试验参数下接头的最大抗拉强度为174.8 MPa，对应的断后延伸率为6.5%。

2A12-T4铝合金自冲摩擦铆焊接头力学行为研究

杨炳鑫, 马运五, 山河, 杨天豪, 孙靖, 李永兵

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25111

2022, (2): 625111-625111.

摘要

针对干涉配合铆接中预制孔工序带来的连接效率等问题，采用自冲摩擦铆焊（F-SPR）工艺，通过半空心铆钉高速旋转产生摩擦热软化铝合金，在无预制孔条件下获得机械-固相复合连接接头。根据接头成形质量确定F-SPR工艺合适的转换深度，分析了典型接头的微观组织特征，研究了进给速度对接头宏观形貌、硬度分布及力学性能的影响规律。试验结果表明，转换深度为3.5 mm时可消除多余物、间隙、张开不足及裂纹等缺陷，实现铆钉与板材紧密连接；进给速度主要通过影响接头中母材硬度，进而影响接头拉剪及正拉力学行为。F-SPR工艺接头的拉剪强度约为2A12-T4铝合金母材抗拉强度的80%，相比于电磁铆接及自动压铆工艺具有较大优势。

Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征

刘浩, 陈玉华, 章文滔

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24680

2022, (2): 624680-624680.

摘要

采用无针搅拌摩擦搭接点焊对Ti6Al4V钛合金和2A12铝合金异种金属进行焊接，焊后低熔点铝合金受摩擦热影响发生熔化，而高熔点钛合金在焊接过程中始终保持固态，同时与处于液态的铝合金相互作用，最终Ti/Al界面形成熔钎焊接头且接头拉伸剪切力达19.20 kN。研究了Ti/Al熔钎焊接头钛合金和铝合金的组织变化以及连接界面的特征形貌。结果表明由于摩擦热及搅拌头下压的影响，焊点处钛合金和铝合金组织发生明显变化。钛侧主要形成热力影响区和母材区；铝侧形成熔核区、热影响区和母材区3个区域，热影响区和熔核区的晶粒尺寸相对母材区变粗大，其组织经历了受热长大、部分熔化到完全熔化3个过程。在搭接接头界面处形成均匀致密且微薄的金属间化合物层，主要成分为TiAl3；接头界面区组织变化明显，中间部位有均匀的TiAl3界面层，随着向接头两边延伸界面层逐渐消失且Cu元素聚集在边缘。相对其他Ti/Al搭接点焊的焊接方法，无针搅拌摩擦搭接点焊获得的接头抗拉伸剪切力得到了明显的提升。

铝合金与树脂基复合材料的铆接/搅拌摩擦搭接复合焊接

姜春阳, 吴利辉, 常云龙, 薛鹏, 倪丁瑞, 肖伯律, 马宗义

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25190

2022, (2): 625190-625190.

摘要

轻量化因可降低油耗、提高效率及降低成本等优势已成为航空航天、轨道交通等领域的重要发展方向。铝合金与树脂基复合材料的异种焊因其高度满足轻量化需求而得到研究者的极大关注，但由于二者性质的巨大差异，不易获得高质量连接。提出了一种铆接和搅拌摩擦搭接焊复合焊的方式，实现了5052铝合金与树脂基复合材料的高质量连接，接头剪切拉伸力达到6.2 kN。机械互锁和界面紧密结合是复合焊接接头的主要连接机理。同时，在满足高强轻量化的基础上，接头失效前的拉伸位移相比于传统的铆接，提高了212%。这是应力集中的改善、连接面积的增加、界面连接紧密程度的增加和铆钉的抗剪切能力等方面的综合结果。复合焊使接头具有铆接的高强度的同时，又具有搅拌摩擦搭接焊的大连接面积和应力均匀分布的特性，进一步提高了接头的可靠性。因此，铆接/搅拌摩擦搭接焊复合焊的方法在获得可靠的金属/树脂基复合材料异种接头上具有极大的潜力。

激光加工双级结构对Al/CFRPEEK接头组织及性能的影响

徐孟嘉, 刘博生, 毕晓阳, 王振民

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24620

2022, (2): 624620-624620.

摘要

由于PEEK材料自然表面的极性基团较少，摩擦搭接焊方法难以直接连接碳纤维增强PEEK复合材料（CFRPEEK）和铝合金。通过表面激光加工的方法，在铝合金6061-T6表面加工微孔阵列结构，实现了CFRPEEK和6061-T6的摩擦搭接焊连接，CFRPEEK/6061-T6接头强度显著提高。结果表明，激光加工在6061-T6表面制备了微米尺度的孔阵列和纳米尺度的颗粒，形成双尺度分级结构，改变了6061-T6表面的润湿性；当6061-T6表面达到超疏水性，6061-T6与CFRPEEK之间具有更高的粘附性能和连接强度，并且6061-T6/CFRPEEK连接界面上未观察到孔洞；微尺度机械咬合是CFRPEEK与6061-T6连接的主要机制，是连接强度提高的主要原因。

碳纤维增强热固性复合材料-钛合金激光连接接头性能分析

邹祺, 叶逸云, 焦俊科, 吴志生, 徐子法, 张文武

doi:10.7527/S1000-6893.2022.25037

2022, (2): 625037-625037.

摘要

碳纤维增强热固性复合材料（CFRTS）和TC4钛合金具有较高的比强度和比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、新能源汽车制造中应用广泛。为实现CFRTS与TC4钛合金的高强度连接，引入"激光清洗+树脂填充"的界面复合调控工艺。在CFRTS和TC4钛合金激光焊接之前，首先，采用脉冲光纤激光器对CFRTS表面进行激光清洗处理，去除表层的环氧树脂，使CFRTS中的碳纤维裸露出来；其次，利用脉冲光纤激光器对钛合金表面进行微织构处理，提升焊接时熔融树脂与TC4钛合金的接触面积并形成"咬合"结构；最后，在清洗后的CFRTS和钛合金接触面之间添加合适厚度的聚酰胺（PA）树脂，进行激光辅助焊接。研究了激光清洗工艺对接头连接强度的影响，对比分析了不同激光清洗工艺参数下CFRTS的表面形貌、PA树脂填充情况、接头断口形貌，结果表明，激光清洗CFRTS可以显著增强CFRTS-TC4钛合金接头的强度，最大拉伸强度可达23.77 MPa。

6061铝合金超声电弧MIG焊声电特性和工艺

李洪亮, 崔展祥, 刘世雄, 马强, 姚亦强, 雷玉成

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24969

2022, (2): 624969-624969.

摘要

超声电弧焊接技术是一种细化焊缝晶粒和提升接头力学性能的有效手段。为了研究超声电弧MIG焊接过程中超声的激发和作用机制，更好的控制超声电弧，通过高频调制MIG焊接电弧，激发出超声波，在焊接过程中通过信号采集和分析，获得电弧的电信号特征和声激发特性，初步确定了焊接电弧的输入阻抗、受激超声的声压同激励参数之间的近似关系，并研究了超声电弧对焊缝成形和显微组织的作用效果。试验结果表明，外加的超声激励使电弧电压在基值处出现高频振荡现象，MIG焊电弧对超声激励的输入阻抗与激励频率有关，激励频率越大，受激的三角波电流越小，输入阻抗就越大；MIG焊电弧中超声的响应频率与激励频率一致，而超声的声压幅度与激励能量有关，激励频率越小、激励电压越大时，激励能量越大，超声的声压振幅越大。与常规MIG焊相比，超声电弧的引入可以增加焊缝熔深，当Ue=55 V，f=70 kHz时，焊缝熔深增加23%。焊缝金属晶粒得到细化，焊缝金属中的析出相更加弥散分布。

6061-T6铝合金激光诱导电弧焊轧复合成形组织性能

宋刚, 刘振夫, 程继文, 刘黎明

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25880

2022, (2): 625880-625880.

摘要

针对6061-T6热处理强化铝合金焊后由"接头软化"导致的力学性能严重下降等问题，提出激光诱导电弧填丝焊及焊后局部轧制复合成形工艺，利用焊接接头余高的局部变形辅助强化接头"过时效软化区"。结果表明通过焊轧复合成形方法能得到成形良好且无缺陷的接头。与焊接接头相比，焊轧复合成形接头硬度整体更加均匀，软化最严重位置的硬度由71.2 HV提升到87.8 HV，提升了23.3%；焊轧复合成形接头的平均抗拉强度由246 MPa提升到284 MPa，相对提升了15.4%，达到母材的91.6%。轧制工艺使焊接接头发生局部强制变形，焊缝区等轴晶晶粒被压实且焊缝变宽。焊缝金属向两侧挤压使热影响区组织发生协同变形，导致位错密度增加，实现"过时效软化区"强化效果。

智能反射面辅助的未来无线通信:现状与展望

朱政宇, 王梓晅, 徐金雷, 王忠勇, 王宁, 郝万明

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25014

2022, (2): 25014-025014.

摘要

随着元材料和元表面等相关研究的进一步发展，智能反射面（IRS）的概念被提出。IRS利用集成在平面上的大量无源反射元件通过软件编程智能地配置无线传播环境，从而达到提高无线通信系统性能的目的，相对于传统的中继系统具有成本低、功耗低、易部署等特点。因此，IRS及IRS辅助无线通信是未来通信领域发展的重要技术之一。通过对现有IRS研究现状的调查和整理，从IRS的基本概念、发展历程、特性优势和IRS辅助无线通信的基本概念、研究方向等方面，详细介绍了IRS与IRS辅助无线通信的发展与应用。最后对IRS未来的发展进行展望。

一种基于麦克风阵列用于分离单极子和偶极子声源的方法

周纬, 杨明绥, 马威

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24901

2022, (2): 124901-124901.

摘要

基于单极子假设的波束成形算法作为一种声场可视化技术，在声源识别中得到了广泛应用。但是在实际工程应用中，声源的类型较为复杂，基于单一声源假设的波束成形无法有针对性地识别不同类型的声源。本文提出了一种混合反卷积方法来分离含有单极子和偶极子的组合声源，该方法构造了波束成形输出与实际声源之间的线性方程，通过求解该线性方程，可以将单极子和偶极子从组合声源中提取出来，并通过多组仿真和实验来检验该混合反卷积算法。结果表明此方法确实可以有效地分离组合声源，并且保证了声源强度的准确性，即使在包含多个声源时依然有效。此方法有望应用于航空发动机气动噪声识别，从高速喷流噪声中提取目标源，更好地研究喷流噪声的成分。

特定条件下高阶WENO格式计算结果误差

刘君, 韩芳, 魏雁昕

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24940

2022, (2): 124940-124940.

摘要

通过比较一阶迎风格式和五阶WENO格式模拟激波、接触间断、曲线坐标系下的均匀流和激波正规反射等4个简单流场得到的数值结果，发现WENO格式模拟的激波和接触间断在从初始间断变化成数值过渡区的过程中出现的非物理波动比一阶迎风格式的结果更加明显，流场结构也更加复杂；同时，由坐标变换而产生的几何诱导误差和边界近似模型误差也明显比一阶迎风格式的误差大。对这些现象进行数值和理论分析，得出高阶WENO格式在某些计算条件下存在放大计算结果误差的风险。受近期国内外文献启发，对目前高精度格式的空间多点构造方法和双曲型方程的特征线理论之间存在的矛盾进行了讨论。

高超声速尖锥边界层压力脉动和热流脉动特性试验

李强, 万兵兵, 杨凯, 朱涛

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24956

2022, (2): 124956-124956.

摘要

高频脉动热流是激波风洞研究高超声速边界层转捩的重要测试量，利用尖锥模型在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）内开展来流马赫数10、单位雷诺数分别为1.2×107/m、4.7×106/m、2.4×106/m流场条件下的风洞试验。获得了不同工况和流态条件下尖锥模型边界层热流脉动和压力脉动频谱特性，通过与高频脉动压力频谱结果和线性稳定性理论计算结果对比，证明了自研的原子层热电堆热流传感器（ALTP）的频谱响应能力，可用于高超声速边界层转捩研究工作。试验发现热流脉动具有压力脉动不一样的频谱特征，湍流条件下压力脉动的各频率能量分布比较均匀，而热流脉动随频率增大能量衰减比较明显；相比于压力脉动，热流脉动信号更不容易受到干扰，本次试验在马赫数10、单位雷诺数2.4×106/m流场条件下，测量的热流脉动第二模态波峰值频谱相对于压力脉动更早凸显出来。

篦齿容积效应对盘腔空气系统瞬态特性的影响

王磊, 毛军逵, 王龙飞, 潘进, 邱长波, 叶大海, 蔡可信

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24989

2022, (2): 124989-124989.

摘要

针对航空发动机中空气系统的瞬态响应问题，以多级封严盘腔为研究对象，开展了考虑篦齿容积效应下的空气系统瞬态计算分析研究。在研究中，采用一维瞬态流体网络计算方法，重点分析了封严篦齿和旋转盘腔的容积效应，并建立了相应的一维瞬态数学模型，通过迭代求解瞬态网络守恒方程组，得到了不同边界工况下盘腔内流体参数随时间响应规律。研究结果表明，由于元件之间的相互作用，上游篦齿元件的容积效应会使得流路下游盘腔内流体参数的响应时间增大，并使温度超调提升。与极端工况相比，过渡工况下腔内平均温度的响应对篦齿容积效应更为敏感，当扰动幅值为1.3时，考虑篦齿容积效应后腔内平均温度响应时间增大10.6%，且温度超调值提升213.7%。

上/下反翼对双后掠乘波体高超特性的影响

孟旭飞, 白鹏, 李盾, 王荣, 刘传振

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24998

2022, (2): 124998-124998.

摘要

从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法，通过给定三维前缘型线分别生成具有上反和下反机翼的双后掠乘波体。使用CFD技术评估不同上/下反机翼乘波体的高超声速气动性能，并选取稳定性判据，研究机翼上下反对纵向和横侧向稳定性的影响。结果表明，上/下反机翼对"乘波"性能影响很小，在高超声速状态仍然保持了高升阻比特性；机翼上反，纵向稳定性降低，机翼下反，纵向稳定性提高；机翼上反可以提高横向稳定性，下反则降低；机翼上反和下反都会提高侧向稳定性，而且上反的效果更明显；同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性明显提升，而机翼下反对偏航动态稳定性的影响随攻角增大而降低。

管路中常温推进剂的两相充填特性仿真

任孝文, 李平, 陈宏玉, 周晨初

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25047

2022, (2): 125047-125047.

摘要

常温推进剂在管路中的两相充填特性由于气液相间的相互作用而难以预测。为拓展液体火箭发动机瞬态特性模块化通用仿真模型库对两相充填的仿真能力，基于Modelica模块化建模思想开发了一维有限体积的两相充填管路模型，其中采用等效流容方程计算压力，使用Volume of Fluid （VOF）法捕捉气液界面。对流项离散格式的比较表明，TVD_QUICK格式可同时满足系统仿真对准确性和实时性的要求。对节流孔径的研究表明，在不同的节流孔径比范围内，液体对预存气体管路的充填过程可分为水击效应忽略、水击效应微弱以及水击效应主导3种模式，且最大水击压力峰值一般发生在水击效应主导模式下。此外，夹带有单个气柱的常温推进剂在充填过程中表现出的压力振荡主要由2个因素造成：气柱受到上下游液柱的压缩而产生的压力波动和下游液柱在节流元件位置产生的水击压力振荡；在2种压力波动的耦合作用下管内瞬时压力峰值达到上游供应压力的5倍左右。

基于风险偏好调整的随机森林算法的航班航程油量预测

吴子轩, 张宁, 高凯烨, 彭锐

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24933

2022, (2): 224933-224933.

摘要

燃油成本是航空公司的最主要成本之一，对航空公司的利润率影响巨大。航空燃油中携带量最多的是航程油。合理地预测和优化航程油量可以有效地降低航班额外燃油携带量，并提升机队燃油经济性和有效商业载荷。然而，以往的燃油预测研究数据来源较为单一、适用的运行场景和机型较为有限，从而导致难以得到推广应用。更重要的是，以往研究也未解决航班对安全风险的偏好问题。因此，本研究结合航班航程油量预测的问题特征，构建了基于风险偏好调整的随机森林算法航班航程油量预测模型。该模型根据航班计划、运行环境、飞机构型和性能等选取了特征项，并在数学特性的基础上增加了反映经济性和安全性的模型评价指标。然后，使用某航司的实际航班运行数据对模型进行拟合和测试。数据实验结果显示，模型能够完成符合预期精度和具有实际意义的预测，相较于以往的模型有着更好的表现。本研究成果已经在某航司得到应用，为航班飞行计划制作、签派员加注航班燃油和节能减排分析提供了参考。

跨声速风洞试验模型主动减振结构优化设计

曾开春, 寇西平, 杨兴华, 余立, 查俊

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24944

2022, (2): 224944-224944.

摘要

针对跨声速风洞试验模型支撑结构，采用压电作动器嵌入支杆，形成一体化主动减振系统来抑制模型在风洞试验过程中的振动。分析了模型支撑结构在风洞试验过程中的振动特性和主动减振系统的控制原理，建立了压电作动器/风洞模型支撑结构相互耦合的动力学模型。在此基础上，采用模态可控性理论及模态价值理论，给出了主动减振结构控制能力的定量描述方法，构建了能够表征系统各受控模态可控性的优化设计目标函数。最后，针对一个简化的风洞试验模型主动减振结构，建立了动力学解析模型，给出了优化设计问题的数学表达和约束指标，并采用遗传算法进行了优化设计研究。结果表明，采用本文给出的方法对主动减振结构进行优化设计，可以在满足约束指标要求前提下，显著提高压电作动器对系统各受控模态的可控性，进而提高系统的减振控制效果。

基于作战环的航空武器装备体系贡献率评估

周琛, 尚柏林, 宋笔锋, 科尔沁, 王耀祖

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24958

2022, (2): 224958-224958.

摘要

针对空战等领域中存在的高对抗性武器装备体系效能和贡献率评估问题，对作战环方法进行了改进，将其引入到了该类问题的求解之中。首先构建了包含多功能装备的作战环网络描述模型，并加入了节点失效概念，给出了基于模糊综合评价法的边和节点权值计算方法；其次，结合网络可靠度思想给出了基于深度优先搜索的蒙特卡罗方法，对体系效能进行了计算，并给出了多功能装备参与下的面向多种评估对象的通用贡献率计算方法；最后，以海上飞机拦截作战为例建立作战环网络模型，利用以上方法对装备体系贡献率进行了评估，验证了方法的可行性和合理性。

被动变弦长提升变转速尾桨性能

万浩云, 韩东, 张宇杭

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24981

2022, (2): 224981-224981.

摘要

为探讨被动变弦长对变转速尾桨性能的提升潜力，建立直升机飞行性能分析模型，包括旋翼动力学综合模型、尾桨模型、机体模型与前飞配平模型，由UH-60A直升机飞行试验数据验证了模型正确性。研究结果表明，直升机悬停时，变弦长对尾桨功率影响很小；低中速飞行时，变弦长使功率小幅增加；高速飞行时，变弦长可大幅降低功率。被动变弦长适应于尾桨转速降低后的气动环境，高速飞行时，尾桨转速降低，变弦长伸长量增加，变弦长降低尾桨功率效果增强。前飞速度300 km/h、90%额定转速时，功率增加10.1%，布置变弦长后为1.59%。变弦长适合布置于尾桨半径70%~90%处。直升机高速飞行时，变弦长伸长量增加，功率节省量增加。直升机起飞重量降低，功率节省量增加。

一种基于信息素图的无人机高效通信覆盖方法

任少睿, 陆忠梅, 石远明, 李立欣, 陈巍

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24939

2022, (2): 324939-324939.

摘要

因无人机灵活性强，覆盖效果好，越来越多的实际情境中选择借助多无人机进行高效的通信覆盖。而实际应用中，对于多无人机系统灵活性、低时延、长续航及安全性的要求需重点考量。为提高无人机持续通信覆盖效果，在无人机相对稀疏这一具体情况下，提出了一种基于信息素图的、限制无人机转弯半径的分布式无人机自主规划通信覆盖方法，保证其灵活性、低时延及长续航的性能；通过引入锚节点，设计了信息素向导信息的交互模型，保证了无人机的安全性。该方法在待覆盖区域最大接入时间间隔方面远优于半随机择取航向的方式，同时平均接入时间间隔下降约15%；对比无地理价值描述的普通信息素图，该方法的平均接入时间间隔与最大接入时间间隔均下降约6%。通过无人机间的解耦，避免了分布式方法面临的无人机间异步问题。

基于孪生波形设计的频谱弥散干扰抑制方法

刘治东, 张群, 罗迎, 李瑞

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24947

2022, (2): 324947-324947.

摘要

频谱弥散（SMSP）干扰是针对线性调频（LFM）脉冲压缩雷达的一种有效干扰手段。基于干扰信号的时频特征，提出了一种基于孪生波形设计的频谱弥散干扰抑制方法。首先，利用初始脉冲发射LFM信号，对受干扰回波进行Gabor变换得到时频分析结果，并估计干扰子脉冲数；其次，基于干扰子脉冲数设计第2个脉冲发射的孪生波形；然后，设计调制信号对干扰后的孪生波形进行时频搬移后重组；最后，通过匹配滤波处理实现干扰抑制。仿真实验表明：所提方法能主动调整设计发射波形相关参数，并有效利用干扰信号的能量，解决在干信比较大时干扰抑制较为困难的问题，避免复杂的信号分离算法。在干信比为25 dB时，经干扰抑制后的信干噪比增益可以达到60 dB以上。

基于DUEA的天线伺服控制系统仿真

李宁, 刘志勇, 王娜, 杨垒

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24986

2022, (2): 324986-324986.

摘要

大口径射电望远镜天线易受到外部阵风等扰动、系统不确定及难以实现高指向精度的问题，为实现系统的高性能指标，提出了基于回路成形和扰动/不确定观测补偿（DUEA）的思想的方法。首先，使用混合灵敏度H∞设计方法对标称模型设计主控制器来实现对输入信号的最优跟踪；然后，针对影响系统输出的外部扰动以及系统不确定部分，基于等效输入扰动（EID）策略，使用广义扩张状态观测器（GESO）对其进行等效观测和补偿。仿真验证结果表明：在系统存在参数不确定以及输入扰动时，使用提出的H∞-GESO控制器的性能指标分散度为单独使用混合灵敏度H∞控制器的指标分散度的66.7%及以下，天线控制性能得到了明显提升。

受油机指定时间姿态稳定控制

吴慈航, 闫建国, 钱先云, 郭一鸣, 屈耀红

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24996

2022, (2): 324996-324996.

摘要

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求，考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响，提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略。首先，建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运动学模型；其次，为了提高姿态稳定的快速性和确定性，使用指定时间稳定理论作为基础，设计了受油机姿态稳定鲁棒滑模控制器。与现有受油机控制策略相比，所提出的控制器优势在于可确保受油机在指定的时间内实现姿态稳定。同时，收敛时间显式存在于控制器参数中，设计者可根据任务需求和执行机构的物理限制，在允许的范围内自由调控。李雅普诺夫稳定性分析和数字仿真结果表明，该控制策略具有良好的控制性能，可实现指定时间稳定。

非匹配扰动下变体无人机预设性能控制

李新凯, 张宏立, 范文慧

doi:10.7527/S1000-6893.2020.25008

2022, (2): 325008-325008.

摘要

针对半倾转旋翼变体无人机易受到非匹配扰动和受制于性能约束的问题，提出一种基于复合浸入与不变（I&I）理论的非匹配/匹配扰动观测器和有限时间预设性能控制策略。首先，建立了含有复合扰动的变体无人机数学模型；其次，引入有限时间动态尺度技术和监督因子的概念，提出了一种复合I&I的扰动观测器对非匹配/匹配扰动进行估计和补偿；最后，以动态滑模面为性能约束对象构建了新型的有限时间性能函数，并与障碍Lyapunov函数相结合来表征系统的稳态和瞬态性能。理论和仿真算例验证了所提方法的有效性和优越性。

基于GRU的敌方拦截弹制导律快速辨识方法

王因翰, 范世鹏, 吴广, 王江, 何绍溟

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25024

2022, (2): 325024-325024.

摘要

针对拦截弹制导律辨识问题，基于门循环单元（GRU）神经网络提出了一种制导律辨识方法。首先，构建了三维空间下的拦截弹-我方飞行器相对运动模型，并假设拦截弹采用经典的比例导引（PN）制导律或增强比例导引（APN）制导律。由相对运动模型提取数据，构成训练样本集和测试样本集，样本输入为敌我双方运动学信息，标签为敌方拦截弹对应的制导律。其次，建立了包含三层隐含层的GRU网络模型，采用基于Adam算法的反向传播对网络进行训练，探究了样本时间跨度等因素对辨识准确度的影响。最后，通过数学仿真对网络参数进行了优化，并在多种条件下进行了仿真验证。结果表明，相比其他网络结构而言，所提方法采用GRU拥有良好的抗噪能力和辨识精度；同时，相比于基于卡尔曼滤波器的制导律辨识模型，所提方法能够大幅减少辨识所需时间。

非合作无源探测中的参考信号提纯新方法

应涛, 王雪宝, 田威, 周成, 侯小阳

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25025

2022, (2): 325025-325025.

摘要

非合作无源探测系统通过直达波提纯来获取参考信号，参考信号的纯净程度对系统探测性能具有重要影响。针对非合作无源探测中的参考信号提纯问题，提出了一种基于稀疏特性的参考信号提纯新方法。首先将参考通道接收的混合信号变换到对时延敏感的分数阶傅里叶变换域上，并对直达波信号和多径干扰信号在分数阶傅里叶变换域上的稀疏特性进行了分析；然后利用分数阶傅里叶变换域的尖峰推导出直达波信号的参数，恢复直达波信号，实现参考信号提纯。仿真结果表明了本文提出新方法的有效性，与时域自适应滤波方法相比，该方法提纯的参考信号失真更小。

动态优先级解耦的无人机集群轨迹分布式序列凸规划

徐广通, 王祝, 曹严, 孙景亮, 龙腾

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25059

2022, (2): 325059-325059.

摘要

针对无人机集群轨迹规划高维强耦合特征导致计算复杂度高的难题，提出了动态优先级解耦的序列凸规划方法（DPD-SCP），将耦合的集群轨迹规划问题拆分为若干单机凸规划子问题，通过分布式求解提高集群轨迹规划的计算效率与可扩展性。设计飞行时间驱动的动态优先级解耦机制，降低飞行时间短无人机优先级，挖掘其轨迹调整潜力，消除集群相互规避导致的迭代振荡问题，提升集群轨迹迭代的收敛速度。定制时间一致约束更新准则，避免集群飞行时间非正常增长情况，并理论证明了DPD-SCP方法能够生成满足动力学、避碰与时间一致约束的集群轨迹。仿真结果表明：所提的DPD-SCP方法的求解效率显著优于耦合SCP、串行优先级解耦SCP以及并行解耦SCP方法。

混沌直扩信号的抗盲估计传输方法

刘芳, 程莫文, 陈立志

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25108

2022, (2): 325108-325108.

摘要

混沌直接序列扩频（DSSS）由于具有大容量、低截获率和物理层上的优良保密性，成为通信领域的研究重点，尤其可以为卫星导航系统提供安全、可靠的地址码。虽然混沌序列的随机特点增强了混沌直扩信号的保密性，但是随着系列盲解扩及混沌预测等技术的发展，传统的混沌直扩系统已经不能克服非授权用户对混沌模型的重构和非线性预测，因此抗盲估计的混沌直扩信号传输方法研究就至关重要。为提高混沌直扩信号的保密性，解决非授权用户的非法预测问题，提出一种混沌直扩信号的抗盲估计传输（AET）方法，通过引入两通道正交的长周期PN序列，并利用PN序列交替偏移来控制混沌系统参数，进而利用相关峰值差进行混沌序列同步，从而达到信息传输的目的。此方法不仅可以确保授权用户的高效传输，而且可以抑制非授权用户的盲估计，降低非授权用户的非法接收概率，提高系统保密性，本方法可以为导航信号的高性能传输提供理论支撑和技术借鉴。

空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制

夏鹏程, 罗建军, 王明明, 谭龙玉

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25398

2022, (2): 325398-325398.

摘要

由于非合作目标惯性参数的不确定性以及双臂操控目标的拉扯/挤压作用，空间双臂机器人稳定非合作目标的过程中机械臂末端与目标可能产生过大的接触力与力矩，从而可能对目标造成损伤。针对该问题，提出了一种协调稳定控制方法，通过协调双臂期望运动实现双臂末端与目标交互的柔顺，降低稳定过程中产生的接触力与力矩。首先，利用目标惯性参数的估值规划稳定运动轨迹；然后，利用柔顺等式建立调整稳定运动轨迹的内外双环，分别针对目标惯性参数不确定性的影响和双臂末端对目标的拉扯/挤压，对期望运动进行调整，得到实现机械臂末端与目标接触柔顺的安全稳定运动轨迹；最后，基于障碍李雅普诺夫函数设计控制性能可约束的跟踪控制器，对双臂的运动进行协调控制，实现机械臂末端与目标交互柔顺的安全稳定控制。仿真算例验证了本文协调稳定控制方法的有效性。