现代先进飞行器追求大攻角快速机动能力,以迅速改变机头指向,取得有利的作战姿势。然而,飞行器在大攻角飞行或快速机动时,气动力呈现强烈的非线性、非定常特征。如何在机动布局设计时就考虑气动力非定常效应的影响,或者在控制系统设计中进行有效的补偿,没有形成统一的指导准则。发展飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值模拟技术,通过建立非定常流场求解、飞行器运动和飞行控制一体化的耦合模拟方法,可实时模拟飞行器的机动过程。由于充分考虑了气动力非定常效应(包括非定常流动、飞行器运动、控制舵偏转等)对控制系统的影响,特别适用于研究飞行器大攻角飞行或快速机动时的非定常气动力现象,评估非定常气动力作用下的控制系统性能。对缩短飞行器研制周期,减少对飞行试验的依赖具有重要意义。本文针对飞行器气动/控制一体化机动飞行数值模拟的五个方面的关键技术开展研究,发展了非定常流动的数值模拟方法,建立了动态重叠网格技术、六自由度耦合运动模拟技术,发展了以谐波平衡法为基础的动导数快速预测技术,建立了CFD与PID控制器的耦合模拟技术,最终形成飞行器气动/控制一体化机动飞行数值模拟的方法体系和软件平台。以方形截面飞行器为研究对象,开展机理研究和应用研究,分析了飞行器的气动、运动特性,开环响应特性和闭环操纵特性。全文共分九章,各章内容概述如下:第一章为引言。概述了本文研究的背景和意义。从非定常计算方法、动网格技术和CFD与控制系统的耦合模拟技术三个方面综述了飞行器气动/控制一体化机动飞行数值模拟的研究进展,最后简要介绍本文的主要工作。第二章为数值方法。系统介绍了本文中采用的数值方法,并通过算例对所建立的计算软件进行了考核。数值方法包括控制方程、空间离散格式、时间推进方法,边界条件等内容。算例包括跨声速翼型绕流、超声速导弹绕流和几组翼型强迫俯仰振荡等。第三章为谐波平衡法。详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并通过跨声速翼型、高超声速钝锥和超声速带翼导弹标模等算例,对谐波平衡法的计算效率、计算精度、内存消耗等问题进行了详细研究。同时基于超声速带翼导弹标模,对谐波平衡法应用于动导数预测的适用范围进行了研究。第四章为多自由度耦合运动模拟方法。详细介绍了非定常N-S方程与六自由度运动方程的耦合求解问题,包括常用坐标系变换、刚体运动方程和耦合求解策略等,最后通过质心平移运动、圆柱翻滚运动、航天飞机脱落的泡沫碎片轨迹预测等算例对建立的方法进行了考核。第五章为动网格技术。详细介绍了本文建立的两种动网格技术:网格变形技术和重叠网格技术。验证算例包括翼型、双翼型、30P-30N三段翼等经典算例;同时针对高超声速钝锥绕流,研究了激波跨越插值区域时的插值精度问题;最后通过翼型强迫振荡过程验证了动态重叠网格技术。第六章为方形截面飞行器运动特性研究。研究了飞行器俯仰和滚转的静态气动力特性,并通过模拟单自由度自激运动过程验证了分析结论。同时开展了快速拉起过程和俯仰振荡对滚转运动特性的影响研究。第七章为方形截面飞行器操纵响应研究。舵偏运动方式简化为阶跃型、脉冲型和谐波型三种基本类型,研究了飞行器的开环响应特性,分析了飞行器的动态响应品质。针对飞行器过渡过程中存在的稳态时间过长、振荡次数过多、操纵性差等问题,通过调整飞行器质心和转动惯量,研究了改善飞行器开环响应品质的可行性。最后还对比分析了多自由度响应和单自由度响应的差别。第八章为方形截面飞行器控制系统模拟研究。详细介绍了PID控制器的设计方法,包括建立气动模型、模型修正、PID控制器参数整定等内容,最终形成了CFD与PID控制器的耦合模拟技术。针对方形截面飞行器开展俯仰姿态控制研究,分析了PID各项系数在飞行控制时的作用;设计了4种不同的机动动作,研究了PID控制器的可靠性;针对大攻角和快速机动问题,分析了气动力非定常效应导致的控制系统迟滞效应,并提出了大攻角和快速机动时PID控制器的改进方法。同时开展了拉起过程中,滚转姿态的保持和控制问题研究。第九章是结束语。总结了全文的工作,指出了存在的不足,并提出了下一步的工作设想。最后是致谢和参考文献。