加装格尼襟翼的旋翼机配平及稳定性研究

以某型自转旋翼机为对象,研究了格尼襟翼对自转旋翼机飞行动力学特性的影响。通过数值计算得到自转旋翼二维翼型加装格尼襟翼的气动力系数,采用叶素理论并结合动态入流理论建立自转旋翼动力学模型,在此基础上建立了旋翼机加装格尼襟翼的飞行动力学模型。研究表明,格尼襟翼对自转旋翼机的纵向配平特性有较大影响,纵向周期变距操纵量增大,旋翼稳定转速减小;格尼襟翼基本不影响全机稳定性,同时还能够达到减小功率消耗的效果。     

机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响

为了研究机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响,针对某复合式自转旋翼机,建立了基于状态空间法描述的非线性全量方程数学模型。该模型包含自转旋翼、机身、螺旋桨、机翼和尾翼的气动模型、动态入流模型和稳定性分析模型。运用该模型对比研究了样例自转旋翼机和样例复合式自转旋翼机的纵向稳定性。研究结果表明：机翼的增加对于浮沉模态和短周期模态稳定性是有利的;对于旋翼转速模态稳定性是不利的,在设计复合式自转旋翼机时可以考虑增加旋翼桨尖配重来提高此模态的稳定性。机翼的纵向位置对自转旋翼机的纵向稳定性有显著影响。在机翼纵向位置能满足配平约束条件下,机翼纵向位置越靠后,迎角稳定性越好,但旋翼转速稳定性越差。在设计复合式自转旋翼机时,机翼纵向位置的选择要综合考虑这两个因素进行折中。     

旋翼机自转旋翼气动特性及跳飞性能研究

为了设计具有跳跃式起飞功能的旋翼机,本文用叶素理论分析了自转旋翼桨叶的气动特性,采用数值积分方法及引入动态入流理论建立了比较完善的自转旋翼气动计算模型,并应用该模型对旋翼机稳定自转和跳飞性能进行了研究,分析了旋翼机实现跳飞所需要的旋翼设计参数和操纵量的要求.算例给出了跳飞过程的性能曲线,并与国外文献进行了比较,结果表明本文理论方法有效可靠.     

机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响简

 为了研究机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响,针对某复合式自转旋翼机,建立了基于状态空间法描述的非线性全量方程数学模型。该模型包含自转旋翼、机身、螺旋桨、机翼和尾翼的气动模型、动态入流模型和稳定性分析模型。运用该模型对比研究了样例自转旋翼机和样例复合式自转旋翼机的纵向稳定性。研究结果表明：机翼的增加对于浮沉模态和短周期模态稳定性是有利的;对于旋翼转速模态稳定性是不利的,在设计复合式自转旋翼机时可以考虑增加旋翼桨尖配重来提高此模态的稳定性。机翼的纵向位置对自转旋翼机的纵向稳定性有显著影响。在机翼纵向位置能满足配平约束条件下,机翼纵向位置越靠后,迎角稳定性越好,但旋翼转速稳定性越差。在设计复合式自转旋翼机时,机翼纵向位置的选择要综合考虑这两个因素进行折中。     

自转旋翼机的纵向稳定性研究

为研究自转旋翼机的纵向稳定性,首先应用配平分析法求出各个飞行状态的旋翼转速,求出转速后用列文伯格-马夸尔特算法对旋翼机的姿态和操纵进行配平,得到各个飞行状态的姿态角和操纵量。运用五点中心差分法求纵向稳定导数,从而得到状态矩阵以及纵向运动模态,然后建立旋翼机纵向稳定性分析模型,利用所求得的一些模态分析旋翼机的稳定性。研究结果表明,旋翼转速随前飞速度的变化不明显,旋翼机的操纵主要是纵向的,旋翼转速主要取决于桨盘的倒角;在速度范围内,除了旋翼转速模态,旋翼机的其他纵向模态是稳定的,旋翼自由度与旋翼机机体存在耦合,重心相对推力线的垂直位置对稳定性有明显的影响,重心位于推力线上方具有更好的稳定性。     

四倾转旋翼飞行器直升机模式操纵策略设计与验证

为解决四倾转旋翼飞行器直升机模式旋翼操纵冗余问题，建立了120 kg级四倾转旋翼无人飞行器飞行动力学模型，并依据不同操纵方式的功效变化进行操纵策略优选设计。应用串级PID控制理论设计了四倾转旋翼无人飞行器飞行控制系统，仿真分析操纵策略对姿态控制和轨迹控制响应的影响；用给定姿态指令和轨迹指令跟踪控制效果验证所设计操纵策略的合理性。研究结果表明：直升机模式下，纵向、横向通道用旋翼总距差动进行控制，航向通道用左右旋翼纵向周期变距差动进行控制时操控效率最高，控制响应快，且控制输出变化幅度小；面对外界风扰，使用该优选操纵策略，控制误差最小，抗扰性好。     

自转旋翼机飞行性能理论建模技术

为研究自转旋翼机的飞行性能理论建模技术,基于基本分析法和配平分析法,对自转旋翼机整机需用功率的建模方法进行了研究,并研究了自转旋翼机的桨盘迎角特性、升阻特性以及自转旋翼桨叶剖面迎角分布特性等。研究表明:建立的基本分析法和配平分析法计算模型均可以准确计算自转旋翼机的整机需用功率和自转旋翼桨盘迎角,两种方法均可用于自转旋翼机飞行性能的分析;小速度时整机需用功率主要来自于自转旋翼功率,大速度时机身废阻功率成为整机需用功率的主要来源;适当增加总距可以提高自转旋翼和整机的升阻比;在自转旋翼设计时可以对桨叶剖面翼型的展向分布进行优化,在桨根处优先采用相对不易失速的翼型以推迟失速对最大飞行速度的限制。     

ELA-07自转旋翼机飞行力学特性分析

自转旋翼机与同类直升机相比,具有其独特优势,现已在民用领域得到广泛应用。为了给自转旋翼机的无人化飞行控制提供理论参考,分析其特点、优势及使用中存在的问题,基于该类飞行器的特点,在旋翼可变转速、螺旋桨、机体气动力基础上,建立自转旋翼机的飞行动力学模型;以整体倾斜桨盘式ELA-07AGRO为样例,对该自转旋翼机进行配平和稳定性计算;对其在巡航飞行时(120km/h)的操纵量、姿态角和模态进行提取,并与计算结果做对比分析。结果表明:在常规飞行速度范围内,样例自转旋翼机的桨盘纵向操纵单调向前压杆,横向操纵单调向左压杆(幅值很小),方向舵逐渐向右偏转,油门先减小后增大;稳定性方面,螺旋和荷兰滚模态的发散非常缓慢,而长/短周期、旋翼转速和滚转收敛模态都是稳定的,即样例自转旋翼机具有良好的飞行稳定性。     

自转旋翼的气动优势和稳定转速

旋翼机在正常飞行中和直升机在自转下滑时,其旋翼都处在自转状态。从建立自转旋翼的气动模型入手,通过与直升机正常工作状态下的旋翼的气动特性的对比,得出自转旋翼具有较好的气动环境和更高的效率;讨论了旋翼机的稳定转速与总距角、前飞速度以及桨盘迎角的关系,通过分析说明在设计旋翼机时,可选择一固定总距,使旋翼机在相当宽的飞行范围内,只需小幅度调整桨盘迎角就可保持稳定飞行。     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。      

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

跷跷板旋翼舰面瞬态气弹响应分析及抑制方法

为了研究跷跷板旋翼在舰面起动和停转过程中的瞬态气弹响应问题,本文在中等变形梁的基础上,引入跷跷板旋翼整体挥舞有限转角广义坐标,采用非线性准定常气动模型,根据Hamilton原理建立了基于广义力的跷跷板旋翼动力学方程,舰面流场采用试验测试数据。通过与国外试验数据及计算值的对比验证了本文计算模型的正确性。计算表明,舰面跷跷板旋翼存在桨叶过大挥舞与机体相碰的问题。对于可能防止相碰的机械措施和操纵方式进行了分析。      

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。     

Dynamic Characteristic Analysis and Experiment for Integral Impeller Based on Cyclic Symmetry Analysis Method

A cyclic symmetry analysis method is proposed for analyzing the dynamic characteristic problems of thin walled integral impeller. Reliability and feasibility of the present method are investigated by means of simulation and experiment. The fundamental cyclic symmetry equations and the solutions of these equations are derived for the cyclic symmetry structure. The computational efficiency analysis between whole and part is performed. Comparison of results obtained by the finite element analysis (FEA) and experiment shows that the local dynamic characteristic of integral impeller has consistency with the single cyclic symmetry blade. When the integral impeller is constrained and the thin walled blade becomes a concerned object in analysis, the dynamic characteristic of integral impeller can be replaced by the cyclic symmetry blade approximately. Hence, a cyclic symmetry analysis method is effectively used to improve efficiency and obtain more information of parameters for dynamic characteristic of integral impellers.     

微小型飞行器的神经网络动态逆控制方法

微小型飞行器(MAV)精确的数学模型很难得到,限制了单纯动态逆控制方法的使用,比例-积分-微分(PID)等传统的控制方法已不能满足要求。针对这一问题,研究了应用动态逆控制方法的新途径──神经网络动态逆。选取串接积分器的多层前向神经网络训练飞行控制系统的动态逆模型,并自适应补偿逆误差。用MATLAB的NNCTRL20工具箱并结合NNSYSID20工具箱建立了仿真系统。升降舵和方向舵联合控制转弯。用PID控制器、近似神经网络动态逆模块、在线神经网络补偿器构建了飞行控制系统。仿真结果表明,神经网络动态逆有较强的鲁棒性、稳定性和指令跟随能力,比PID更适合于微小型飞行器的姿态控制。     

直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响

为摸索直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响规律并揭示其机理,首先建立能够考虑2阶谐波桨距控制影响的旋翼气动力模型,进一步建立相应的直升机飞行动力学模型,将旋翼需用功率作为性能评估的依据,在全机配平状态下开展2阶谐波桨距控制对旋翼性能的影响研究.对于样例直升机,前进比为0.2时,施加任何2阶谐波桨距控制均使旋翼需用功率增加;前进比为0.35时,施加幅值为1.5°、初相位为90°的2阶谐波桨距控制使旋翼需用功率降低约5%.通过分析样例直升机桨盘平面迎角分布和阻力系数分布,总结出利用2阶谐波桨距控制提升旋翼性能的物理本质:当直升机处于高速、大载荷飞行状态时,施加适当的2阶谐波桨距控制可以改善桨盘平面迎角分布,推迟后行边桨叶失速,从而降低旋翼需用功率,有效提升旋翼性能.     

基于广义力的旋翼振动载荷计算

为描述挥舞、摆振铰和变距轴承的运动引入了三个刚体运动自由度 ,旋翼桨叶通过 5节点15自由度有限单元离散 ,计入了桨叶刚性运动与非线性弹性变形之间的动力学耦合效应。利用曲线坐标系下的本构方程 ,对经典的中等变形梁理论进行了重新的推导。另外 ,采用了Leishman Beddoes非定常和动态失速模型 ,入流由自由尾迹分析获得。导出的旋翼桨叶非线性时变常微分方程以广义力的形式给出。桨叶截面载荷和运动方程在位形空间中同时求解。由本文分析得出的桨叶振动载荷与SA349/ 2小羚羊直升机飞行测试数据吻合程度很好。     

复合材料旋翼桨叶的结构优化与振动控制

 本文总结了复合材料旋翼浆叶结构动力优化设计的研究工作。运用有限元分析和数值优化技术,优化浆叶的质量和刚度布置,改善浆叶结构固有频率分布和动力特性,达到浆叶设计中的调频、减振和降低重量的目的,部分地实现了旋翼浆叶的计算机辅助设计。实例计算了“BO—105”和海豚两种复合材料旋翼浆叶。