旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究

近些年来垂直起降(VTOL)飞行器发展迅速,并获得了一些突破性进展,但仍有许多尚未解决的问题。结合旋翼机和固定翼飞机的优点,提出一种旋翼固定翼复合式飞行器布局方案,兼具优异的垂直起降性能及高速飞行能力,具有转换过渡稳定平滑、可控性强的特点。在该旋翼固定翼复合式布局中,特型旋翼可旋转以提供垂直升力,也可停转、锁定与固定式机翼保持平行,最终转换为固定翼面使得飞机转换为固定翼布局,并在机翼上布置矢量推力装置,实现高速飞行。概念设计研究围绕设计方法、特型旋翼、矢量推力系统等关键技术展开,并开展了平飞模式飞行特性、垂直起降模式飞行特性、航程、航时以及飞行操纵等性能的分析。通过试制小型原理验证机,并对各飞行状态及转换过渡飞行进行飞行试验,验证了该布局的可行性。结合实际算例展开分析计算,验证了该方案设计方法的准确性和实用性。     

倾转旋翼飞行器飞行力学模型研究

对倾转旋翼飞行器飞行力学模型的建立进行了理论研究.其中旋翼的气动模型,使用了非定常叶素理论,而对于机翼、尾翼和机身的气动力计算则采用了成熟的升力线理论模型.对于气动干扰的问题,则主要是考虑了机翼与旋翼的气动干扰.最后对算例飞行器不同模式下的飞行状态进行了飞行特性计算,验证了所建模型的合理性.     

倾转旋翼飞行器飞行仿真建模

本文分析了旋翼与机体之间空气动力学干扰,推导了在过渡状态时旋翼尾迹对机体空气动力学干扰计算的简化方程,建立了一个全量倾转旋翼飞行器飞行力学数学模型,引进遗传算法进行配平计算,并对倾转旋翼飞行器飞行特性进行了简单分析.样例倾转旋翼飞行器在直升机模式时,操纵通道的操纵响应都不稳定,说明单独操纵飞行器某一通道时响应是不稳定的.随着向飞机模式的转换,操纵通道的主操纵响应逐渐稳定.     

鸭式旋翼/机翼无人机飞行动力学建模与分析

针对鸭式旋翼/机翼无人机兼有直升机和固定翼机飞行特性的特点,对其飞行动力学模型进行了理论建模与分析研究。应用动量理论建立了旋翼/机翼尾迹模型,分析了旋翼/机翼尾迹对鸭翼、平尾等气动部件的干扰特性,建立了直升机和转换飞行模式受旋翼/机翼尾迹干扰影响的动力学模型以及固定翼飞行模式的动力学模型。提出了各飞行模式的配平策略,使用Matlab工具箱函数简化了平衡特性计算和模型线性化过程,并进行了不同飞行模式、典型飞行状态的纵向运动稳定性分析。结果表明所建立的模型能够反映该类鸭式旋翼/机翼无人机各飞行模式的典型特性,并可用于飞行控制系统设计。     

倾转四旋翼飞行器操纵策略及配平特性分析

针对倾转四旋翼飞行器机翼与旋翼气动干扰复杂的问题，建立了考虑干扰的倾转四旋翼飞行器飞行动力学模型，提出了倾转四旋翼飞行器在直升机与固定翼模式下的操纵策略，并利用数值仿真方法研究了不同模式下的配平特性。利用小扰动假设提取出直升机小速度前飞状态下的状态矩阵，分析不同前飞速度下的特征根变化趋势，并以典型速度下的配平状态矩阵与操纵矩阵分析了零输入响应与零状态响应特性。仿真结果表明，倾转四旋翼飞行器在小速度前飞状态下俯仰通道较为独立，滚转和偏航通道存在耦合。     

组合升力体动力学建模与仿真

设计了组合升力体总体布局，提出了新的组合升力体建模思路与方法，建立了完整的组合升力体飞行动力学数值仿真模型。建模时综合考虑了主要气动力部件的建模，详细讨论了旋翼／固定翼过渡飞行模式的建模方法。根据提出的建模方法进行了组合升力体的操纵响应分析，仿真结果证明了建模理论和方法的合理性和有效性。     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响。结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不同,右旋时,机翼气动力占旋翼拉力的15%,左旋时占旋翼拉力的9%;飞行器在垂直运动过程中,会引起在前飞方向的分力和低/抬头力矩变化;飞行器在垂直下降过程中,旋翼会进入涡环状态,机翼的存在有效降低了涡环状态的破坏作用,涡环降低气流对机翼翼尖冲击作用。该结果有助于飞行器的设计与安全飞行。      

展开式变体垂直起降飞行器气动布局与控制策略设计及飞行验证

垂直起降飞行器具有固定翼飞行器飞行航程远、飞行速度快的性能优势,又同旋翼飞行器一样机动灵活,具有垂直起降的功能,近年来成为飞行器研究领域的研究热点之一。尤其是尾座式垂直起降飞行器由于其结构简单、重量利用率高等优点,受到了较多关注。本文提出了一种机翼可展开的尾座式变体垂直起降飞行器总体布局方案,为该布局设计了一种具有自锁功能的机翼变体驱动机构。利用风洞测力实验对飞行器固定翼巡航模态、四旋翼悬停模态及变体过渡过程的气动力进行研究,给出了飞行器在固定翼巡航模态下的配平能力与飞行性能,及前倾加速及变体过渡过程中的气动特性。并提出了一种升降副翼-旋翼协调航向增强控制策略,有效提升飞行器悬停模态的航向控制力矩。通过对飞行器变体转换过程的受力情况研究,为该构型飞行器设计了一种基于空速与俯仰姿态角的变体过渡控制策略。对该构型飞行器进行了飞行试验验证,结果表明飞行器在四旋翼悬停和固定翼巡航模态下表现出良好的操纵性和抗风能力,成功实现了平稳的无高度损失模态转换,验证了控制策略的有效性。     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

Electromechanical flight actuators for advanced flight vehicles

The aircraft flight quantities and success of the mission depend to a great extent upon the actuator performance, and flight actuators must be designed to achieve the specified criteria. Electromechanical flight actuators driven by electric motors have begun to displace hydraulic technology in advanced flight vehicles. In aerospace application, permanent-magnet stepper motors are perfectly suited due to their efficiency and reliability, low volume-, weight-, and size-to-torque ratios, high power and torque densities, low cost and maintenance, simplicity and ruggedness, etc. Conventional open-loop stepper motor servos do not ensure the required accuracy and dynamic performance. An innovative method in motion control of advanced electromechanical flight actuators is developed, and nonlinear controllers are designed. The specified tracking accuracy, desired stability margins, microstepping capabilities, and disturbance attenuation are ensured by the robust nonlinear controllers synthesized. Analytical, numerical, and experimental results are documented to study the performance of flight actuators directly driven by stepper motors and to demonstrate the efficiency of control algorithms     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

基于地面试验数据的飞机横航向飞行品质评估

针对工程实际运用中的飞机飞行品质评估问题,研究了利用地面试飞数据进行品质评估的方法。提出根据飞机在扰动作用下所固有的模态特性及其模态表达式来对飞机的时域响应进行拟合,从而计算出模态参数的方法。结合Lab Windows/CVI与Matlab混合编程技术,对软件实现过程进行了说明。算例验证结果表明,所提算法能够用于某型飞机的品质评估工作。     

谈航班延误后的服务工作

航班延误是航空公司运输服务中常见且影响人数较多的一种服务失误,也是一直以来困扰各航空公司和旅客的一大难题。尤其是航班延误之后航空公司未能提供完善的地面服务措施之时,旅客的反应就会更加强烈。那么,究竟是哪些问题导致在航班延误后引起旅客强烈不满?在出现延误后,航空公司、机场等各方又该采取哪些措施,彻底改变它在人们心目中的形象呢?本文就这些问题的出现和解决进行了探讨。     

机组资源管理与飞行安全

自2001年以来,美国商用定期航班的事故率基本保持常数,约为每百万架次进离港中有三次事故(见图1)。民用航空运输总量快速增长之势已是不争的事实,全世界民航业正面临大幅度降低航空事故率的紧迫任务。如果保持现有的事故率不变,则随着交通总量的增     

某型无人直升机前飞段仿真建模与试飞验证

针对某型无人直升机无铰式旋翼技术验证和飞行试验需求,建立了能够用于实时仿真的非线性飞行动力学模型,并基于经典PID控制算法完成了飞行控制律设计。为验证理论模型准确性和控制参数合理性,相继开展了盘旋飞行和大速度飞行的半物理仿真和飞行试验,并基于飞行试验控制效果评估完成了部分控制参数的优化设计。数据分析表明:半物理仿真和飞行试验的时域响应和配平特性均吻合较好,验证了非线性飞行动力学模型的准确性;飞行试验中无人直升机姿态和速度响应均能够较好地跟踪其设定值,所设计的飞行控制参数能够满足某型无人直升机稳态飞行控制要求。     

飞/推综合控制模式亚声速半物理仿真试验

飞/推综合控制考虑飞机和发动机之间的性能耦合，彼此进行信息的综合，从整体最优的设计出发，充分发挥飞机和发动机的性能潜力，提高飞机性能。为了验证飞/推综合控制模式的性能效益，提出并开展了该控制模式在亚音速下的半物理仿真试验的研究，结果表明：在平飞加速工况下，采用最大推力模式，可提高发动机推力约9％；在亚音速巡航时，采用最小油耗模式，可节省单位油耗约1．5％。     

未来的空中管制飞行

对于飞行驾驶员和空中交通管制员间应该如何相互作用的两种愿景始终是业界谈论的主题。第一种愿景称作自由飞行,即通过安装了诸如广播式自动相关监视（ADS-B）、空中交通预警和防撞系统（TCAS）以及全球定位系统（GPS）等机载组合设备而具备了境遇意识的智能飞机,飞行员能够驾驶这种飞机实现安全的空中自由飞行。另一种愿景则是地面管制员通过集成的自动化控制系统、数据传输链路,：也有说包括广播式自动相关监视系统（ADS-B）,为我们的空中飞行提供空中交通监视全景信息,实现实时、精准的空中管制指挥。按照国际航空电讯集团航空通信和信息服务副总裁菲利普·辛弛（Philip Cinch）的话说,未来的发展结果很可能是二者的融合体。     

模糊自适应过失速飞行控制

研究了带推力矢量飞机过失速非线性飞机控制问题。根据奇异摄动理论将受控变量分为快变量和慢变量，然后分别对内环和外环进行设计，外环利用滑动面控制进行设计，内环利用模糊逻辑系统的万能特性来抵消近似非线性动态逆所带来的误差，根据李亚谱诺夫稳定性理论了模糊系统权值的自适应调整规律，从而保证闭环系统的稳定性。数字仿真结果表明：在存在较大的模型不确定性以及飞机动力学对状态和控制输入均为非线性的情况下，该控制方案能对指令进行良好的跟踪。