微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。     

直升机悬停纵向运动模态的耦合

针对直升机运动模态内状态量间的耦合,提出了一种定量分析方法.该方法基于解耦得到的运动模态,结合气动导数矩阵,定量描述运动模态内状态量间的耦合,通过耦合的瞬时特性和积分特性定量区分各耦合.以Lynx,Bo105和Puma直升机为例,分析了三者悬停纵向运动模态的耦合特性.分析表明,纵向线速度通过空速稳定性对俯仰角速度的耦合作用在不稳定的悬停纵向振荡模态中起重要作用.基于算例的定量分析,筛选主要耦合得到简化模型,因此得到的运动模态固有频率和阻尼比的偏差小于2%,优于文献中的简化模型,说明了通过定量分析得到简化模型的可行性.      

一种直升机运动模态中纵横向耦合分析方法

提出了一种定量分析直升机纵横向耦合特性的方法，包括运动模态中状态量间耦合作用的幅值特性、时间特性和积分特性。幅值特性描述耦合作用的相对强弱，时间特性描述耦合作用起增强/减弱作用的时间比例，积分特性描述耦合作用引起状态量发散/收敛的快慢。将该方法应用于“美洲豹”直升机悬停状态的典型纵向振荡模态，对比分析了该运动模态纵横向分离和纵横向耦合情况下状态量之间的耦合特性。分析发现，纵横向耦合使得横向速度和滚转角速度对俯仰角速度产生耦合，耦合强度是纵向速度对俯仰角速度耦合作用的近3倍，并加快了俯仰角速度的发散。纵横向耦合显著改变了该运动模态的耦合特性，进而影响了其稳定性。      

带等离子控制的飞翼布局飞机模型的风洞虚拟飞行试验

等离子体流动控制技术已经在流动控制领域成为热点和焦点。为了研究等离子体对于飞翼布局飞机稳定性的影响,本文研究中采用闭环飞行控制律对飞翼布局飞机模型的操纵舵面进行操控,同时增加等离子控制,对该模型飞机在失速迎角附近区域开展三自由度(3DoF)的虚拟飞行试验研究。结果表明,等离子打开后,在俯仰运动上,使得飞机俯仰振荡幅值变小,增快振荡衰减,在滚转运动上,对滚转角命令的跟随性变好;在偏航运动上,增加了偏航阻尼,改善了原来偏航运动的偏离问题。因此,等离子流动控制对于飞翼布局飞机在失速迎角附近的稳定性改善具有良好的效果,对未来等离子技术的实际应用提供了借鉴和指导。     

翼间干涉效应对蜻蜓悬停气动性能的影响

蜻蜓在悬停飞行过程中,通过控制翅膀的运动规律,进行前后翅相位差为180°的扑翼运动。为了分析两对翅膀之间的干涉效应对悬停气动性能的影响,利用计算流体力学手段对蜻蜓悬停状态的串列扑翼和单对翅扑翼进行模拟。通过对两种模式下的流场进行分析,并计算对比了悬停效率、气动力及气动功率的数据,发现了悬停状态下翼间干涉的气动效应：尾迹集中效应和来流偏折效应。尾迹集中效应可以减少翅膀附近的涡耗散和尾迹耗散,提高悬停效率;来流偏折效应可以通过减小后翅在下拍过程中的来流攻角,从而降低前缘涡的尺寸和强度,降低悬停功率。数值结果表明：在运动规律相同的情况下,与单独拍动的前翅和后翅进行的悬停相比,串列双翅悬停的效率分别提高了18.6%和25.5%,功率分别降低了4.8%和14.0%。     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

昆虫悬停飞行的动稳定性:理论分析与数值模拟

首先,从昆虫(身体和拍动翅)的动力学方程和N-S方程出发,在一定假设下,将运动方程简化为6自由度刚体的方程,并用线化理论给出了反映昆虫悬停飞行纵向动稳定性的理论解.然后,用完全的动力学方程和N-S方程偶合的数值解对上述理论的简化假设进行了检验.     

悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究

采用数值方法对果蝇翼悬停飞行拍动翼问题进行了模拟,介绍了前人生物观察和动态比例模型得来的简化拍动翼运动规律。果蝇翼模型平面形状采用Dickinson动态比例试验采用的形状,计算的无量纲参数根据Weis-Fogh,和Vogel果蝇捆绑飞行的数据得到。分别数值模拟了三种运动模态:超前模式(advanced mode),对称模式(symmetrical mode)和滞后模式(delayed mode)。数值模拟的结果同Dickinson的试验结果和孙茂的数值模拟结果进行了比较,吻合很好,表明本文的计算结果是合理的。根据数值模拟结果,结合气动力系数和流场结构进行分析,研究了果蝇悬停飞行获得高升力的流动机理。     

模型参考自适应系统的稳健性

 本文证明飞机俯仰角速度的模型参考自适应控制系统(MRACS)对未建模的长周期模态的稳健性。将飞机纵向运动的传递函数经因式分解后,得出一种特定的状态方程,通过变换,可把长周期模态的影响变成只考虑短周期模态的近似系统的等效慢变化干扰作用。由于MRACS具有自动调节控制增益以克服被控对象参数慢变及抑制慢变干扰的能力,从而整个闭环系统的稳健性得到了保证。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

ν-gap度量及其在飞行控制律评估中的应用

 传统控制律评估方法主要用于单输入单输出（SISO）系统，且对模型参数摄动考虑不够全面,针对这些不足，研究了ν-gap度量方法。在介绍系统广义稳定裕度相关概念的基础上，给出了ν-gap度量的定义、特点和性质以及近似摄动模型的计算，提出ν-gap度量评估控制律的步骤。实例结果表明，该方法不仅克服了上述传统评估方法的缺陷，而且还有根据所求的各摄动影响情况忽略影响小的元素，以减少计算量及可以找到最坏情况下的参数摄动组合等优点。     

Integrated Entry Guidance for Reusable Launch Vehicle

A method for the implementation of integrated three-degree-of-freedom constrained entry guidance for reusable launch vehicle is presented. Given any feasible entry conditions, terminal area energy management interface conditions, and the reference trajectory generated onboard then, the method can generate a longitudinal guidance profile rapidly, featuring linear quadratic regular method and a proportional-integral-derivative tracking law with time-varying gains, which satisfies all the entry corridor constraints and meets the requirements with high precision. Afterwards, by utilizing special features of crossrange parameter, establishing bank-reversal corridor, and determining bank-reversals according to dynamically adjusted method, the algorithm enables the lateral entry guidance system to fly a wide range of missions and provides reliable and good performance in the presence of significant aerodynamic modeling uncertainty. Fast trajectory guidance profiles and simulations with a reusable launch vehicle model for various missions and aerodynamic uncertain-ties are presented to demonstrate the capacity and reliability of this method.     

基于飞机油箱模型形状特征油量测量切片步长选择方法研究

 在分析飞机数字式油量测量过程中目前广泛使用的切片法油量测量原理的基础上,针对现有的定步长切片法无法得到准确、可靠的燃油质量特性数据库的缺陷,结合对飞机油箱模型形状特征的分析,提出了基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法。此方法包括切片步长整体和局部选择两个过程,整体选择以实现相邻两切片平面所夹油箱模型体积近似相等为目的来确定切片步长,以体现油箱模型截面整体变化规律;局部选择以设计切片平面与截面突变平面重合或尽可能接近的方式,突出油箱截面的局部变化特征。实验结果表明：该切片步长选择方法较定步长方法能够建立更为合理、可靠的燃油质量特性数据库,从而提高了油量测量精度。     

The effect of inlet conditions on the flow and heat transfer in multiple rotating cavity with axial throughflow

This paper discusses experimental results from two different build configurations of a heated multiple rotating cavity test rig.Measurements of heat transfer from the discs and tangential velocities are presented.The test rig is a 70% full scale version of a high pressure compressor stack of an axial gas turbine engine.Of particular interest are the internal cylindrical cavities formed by adjacent discs and the interaction of these with a central axial throughflow of cooling air.Tests were carried out for a range of non-dimensional parameters representative of high pressure compressor internal air system flows(Re up to 5×106 and Rez up to 2×105).Two different builds have been tested.The most significant difference between these two build configurations is the size of the annular gap between the(non-rotating) drive shaft and the bores of the discs.The heat transfer data were obtained from thermocouple measurements of surface temperature and a conduction solution method.The velocity measurements were made using a two component,LDA system.The heat transfer results from the discs show differences between the two builds.This is attributed to the wider annular gap allowing more of the throughflow to penetrate into the cavity.There are also significant differences between the radial distributions of tangential velocity in the two builds of the test rig.For the narrow annular gap,there is an increase of non-dimensional tangential velocity V/Ωr with radial location to solid body rotation V/Ωr=1.For the wider annular gap,the non-dimensional velocities show a decrease with radial location to solid body rotation.      

二维翼段颤振的μ控制

 采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振鲁棒抑制。针对作者设计的二维翼段颤振主动抑制系统，通过理论与实验相结合的方法，建立了考虑沉浮方向阻尼和作动器模型参数不确定性的控制系统模型，设计了μ控制器，并对控制器做了降阶处理。数值仿真和风洞试验表明，μ控制器可有效地抑制颤振的发生，将颤振临界速度提高23.4%。相对于H_∞控制器，μ控制器的控制效果和鲁棒性更好。     

航空发动机管路测量数据分割方法

 为了提高航空发动机管路测量数据的反求建模效率,提出了一种区域增长分割算法。该方法主要是利用管路表面在曲面索引系数映射、主曲率映射、高斯映射上的特性,并基于均值漂移算法和遗传算法提出了区域分割算法中种子区域的选择策略。然后利用区域增长分割方法实现了对管路测量数据的分割。经过仿真和实测数据验证,所提管路分割算法具有较好的分割质量和效率。     

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。     

Interfacial Properties Modification of Carbon Fiber/ Polyarylacetylene Composites

This work was dedicated to performing surface oxidation and coating treatments on carbon fibers (CF) and investigating the changes of fiber surface properties after these treatments, including surface composition, relative volume of functional groups, and sur- face topography with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atom force microscopy (AFM) technology. The results show that, after oxidation treatments, interfacial properties between CF and non-polar polyarylacetylene (PAA) resin are remarkably modified by removing weak surface layers and increasing fiber surface roughness. Coating treatment by high char phenolic resin solution after oxida- tion makes interface of CF/PAA composites to be upgraded and the interfacial properties further bettered.     

Thermal Stresses and Cracks During the Growth of Large-sized Sapphire with SAPMAC Method

本文利用有限元法对冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)生长大尺寸蓝宝石单晶过程中的热应力进行了模拟计算,应用临界缺陷理论解释了裂纹的萌生与扩展机理。研究表明,晶体内的热应力主要与晶体生长速率,环境温度和结晶取向有关;较大热应力多出现在结晶界面,放肩、收尾以及直径急剧变化等位置;最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面附近。裂纹将在临界缺陷位置产生,并在应力作用下沿a或m面扩展。计算结果与实验结果基本吻合,通过晶体生长系统和生长工艺的改进,对晶体的开裂问题得到了有效的抑制。     

Optimization Design System for Composite Structures Based on Grid Technology

To solve the topology optimization of complicated multi-objective continuous/discrete design variables in aircmit structure design, a Parallel Pareto Genetic Algorithm （PPGA） is presented based on grid platform in this paper. In the algorithm, the commercial finite element analysis （FEA） software is integrated as the calculating tool for analyzing the objective functions and the filter of Pareto solution set based on weight information is introduced to deal with the relationships among all objectives. Grid technology is utilized in PPGA to realize the distributed computations and the user interface is developed to realize the job submission and job management locally/remotely. Taking the aero-elastic tailoring of a composite wing for optimization as an example, a set of Pareto solutions are obtained for the decision-maker. The numerical results show that the aileron reversal problem can be solved by adding the limited skin weight in this system. The algorithm can be used to solve complicated topology optimization for composite structures in engineering and the computation efficiency can be improved greatly by using the grid platform that aggregates numerous idle resources.