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.      

某典型飞行器模型俯仰/滚转两自由度耦合动态气动特性

先进飞行器在大迎角高机动飞行过程中,气动力复杂演化与运动姿态剧烈变化的相互作用,容易诱发俯仰拉起的滚转或侧偏等耦合运动,呈现出十分强烈的多自由度动态气动力特性。为此,选取某典型四代机修型设计模型,利用FL-26风洞专用的俯仰/滚转两自由度动态试验装置,开展了单自由度和俯仰/滚转两自由度耦合运动的动态气动力特性研究。结果表明,研究模型在迎角30°左右会出现滚转单自由度的侧偏和小振幅摇滚运动现象;俯仰单自由度振动条件下,模型法向力和俯仰力矩会出现明显的气动迟滞特性;在强迫俯仰/自由滚转（或强迫滚转）两自由度耦合运动情况下,模型的侧偏运动幅值得到了一定的抑制,但纵横向气动力都出现了迟滞现象,甚至是多个气动迟滞环结构,容易引发耦合失稳发散。     

吸气式高超声速飞行器俯仰/滚转耦合运动特性

针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞机开展了进气道通流状态下俯仰/滚转耦合运动相关研究。通过数值模拟获得了滚转单自由度静稳定性、动稳定性以及强迫俯仰/自由滚转运动下的两自由度耦合动稳定性，研究了飞行器转动惯量以及俯仰运动频率对耦合运动的影响，简要分析了耦合运动的机理。研究发现虽然此飞行器具有滚转静稳定性和动稳定性，但是在强迫俯仰/自由滚转运动过程中，滚转通道却出现了小幅度振荡与大振幅振荡交替出现的情况，最大滚转角超过70°。小幅度振荡出现在正弦俯仰振荡的上半周期，其振荡频率随轴向转动惯量增加而降低，幅值随俯仰振荡频率增加而增大；大振幅振荡出现在下半周期，其幅值基本不变，而振荡频率与俯仰振荡一致。这种现象基本不受惯性耦合作用影响，可以认为是由气动力主导的。     

前向积分引起的急滚发散运动

本文研究在纵向单轴ACT飞机五自由度仿真计算中发现的一种特殊的快滚发散运动,这是一种由于采用了前向积分而引起的纵横向惯性耦合运动。文中给出计算所用方程、基本飞机与ACT飞机快滚过程时间响应曲线、前向积分器工作与暂停工作时的快滚过程时间响应曲线。通过图形分析说明了发散运动产生的原因及可能采用的设计措施。     

基于矩阵运算的直升机旋翼/机体耦合动力学模型

针对直升机旋翼/机体耦合动力学建模中,小角度线性简化带来的计算精度下降以及适用范围缩小等问题,在计算桨叶速度及加速度时,基于矩阵运算,保留了运动的非线性。对不同机体运动幅值和频率情况下的小角度线性简化对桨叶速度的影响进行了仿真分析,结果发现,随着机体运动幅值的增加,线性简化影响越来越大,滚转幅值 15°时,简化带来的误差超过 5%;俯仰幅值 15°时,简化带来的误差超过 6%,且随着机体运动频率的减小,误差越来越大。对不同桨距的情况进行仿真,结果表明,所建模型可以很好地模拟直升机的动态响应,采用该模型可进行直升机旋翼/机体耦合动态响应仿真分析。     

适用于直升机飞行力学分析的三维空间大气紊流模型

发展了一种新的适用于直升机飞行力学分析的三维空间大气紊流模型。采用Dryden紊流模型生成给定空间点的时域离散紊流速度,在速度坐标系框架下,横向和垂向采用统计特性守恒的高斯插值法进行紊流场空间扩展,而沿速度的纵向采用时间序列延迟法扩展紊流场,最终形成覆盖直升机各个气动面的三维空间大气紊流速度场。将本文计算结果和国外经过飞行仿真验证的二维空间紊流模型结果进行对比分析,验证本文模型的有效性和正确性,研究二维和三维空间紊流模型的区别。结果表明:本文模型改善了二维空间大气紊流模型对俯仰角速度、横向速度和航向角速度响应计算幅值偏小的缺陷;紊流引起的直升机响应幅值随飞行速度和紊流强度的增加而增大,随飞行高度的增加而减小。     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

非线性叶间黏弹减摆器对直升机空中共振的影响分析

 建立带非线性叶间黏弹减摆器的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。与全机飞行力学平衡计算相结合，旋翼/机体耦合动稳定性分析模型考虑前飞状态桨叶变距操纵、机体姿态角和桨毂纵向安装角。针对具有非线性特性的叶间黏弹减摆器，采用基于复模量的非线性VKS改进模型、Simulink时域仿真和多桨叶坐标变换等效阻尼识别法分析直升机悬停、前飞状态下旋翼/机体耦合动稳定性及减摆器双频动幅值，并就减摆器布局、全机总重以及前飞速度对桨叶摆振后退型模态阻尼的影响进行分析。结果表明：由悬停到前飞直升机动稳定性一般均下降，一定速度后又上升；加上减摆器能消除前飞不稳定区；叶间黏弹减摆器抬头连接能提高模态阻尼。     

飞行器双自由度耦合振荡的数值模拟方法

针对模拟双自由度(2DOF)运动的"PQR"强迫振荡试验装置,通过坐标变换,将机构运动转化为空间欧拉角进行表示,实现对机构俯仰/偏航、俯仰/滚转和偏航/滚转等3种耦合运动的统一描述,采用预定运动轨迹的动网格计算技术,构造了基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的飞行器双自由度振荡数值模拟方法。围绕某复杂构型飞行器低速流动,在模型迎角10°、滚转角±40°、偏航角±40°振荡预设条件下分别对单自由度偏航、滚转振荡和双自由度偏航/滚转振荡进行了模拟,得到的气动系数迟滞回线在形态和量值上与风洞试验结果吻合,证明当前方法可以作为飞行器复杂耦合运动的一种有效研究手段。针对偏航/滚转耦合振荡,从运动形式和气动特性上与单独偏航、滚转运动进行了对比分析,结果表明,耦合运动在气流角、绕体轴的旋转角速度等方面与单自由度叠加效果不同,力矩系数迟滞回线存在曲线交叉的现象,表现出与单自由度振荡不同的阻尼特性。在当前模拟状态下,偏航/滚转振荡流场以横向分离涡运动为主要特征,可以推测大迎角情况下纵横向分离涡流动结构更加复杂,耦合作用更强,需要进一步在分离流模拟方法上开展研究。     

倾斜尾桨直升机侧滑-俯仰耦合研究

针对倾斜尾桨直升机的侧滑-俯仰耦合进行了分析研究。首先描述了倾斜尾桨直升机在横侧静稳定性模拟试飞中出现的侧滑-俯仰耦合现象;进而分析了该耦合产生的机理,给出了该耦合的主要影响因素;最后对该耦合的解耦方法和试飞评估方法进行了研究。研究结果可为倾斜尾桨直升机侧滑-俯仰耦合的试飞与评估提供重要参考。     

一拍跟踪的直升机显模型跟踪解耦控制系统设计

针对直升机动力学表现出的高阶,强耦合的特点,本文基于一拍跟踪的原理,设计了显模型跟踪解耦控制系统,开发了控制阵,为提高系统动态和稳态性能,对系统参数进行了优化,数字仿真表明,模型跟踪解耦性能良好,同时可以迅速改变显模型,以达到改变操纵特性的目的,文章最后对如何选取采样周期及显模型带宽进行了讨论。     

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。      

新构型倾转旋翼无人机飞行力学建模

倾转旋翼无人机飞行力学模型是设计飞行控制律和分析飞行特性的基础。从一款在研的新构型倾转旋翼无人机工程实际出发,建立该无人机非线性飞行力学模型;分析新构型倾转旋翼机相比常规倾转旋翼机的特点和优势,建立直升机模式、倾转过渡模式和固定翼模式下各部件飞行力学模型;并针对直升机模式,对不同飞行速度进行配平及稳定性分析。结果表明:该构型倾转旋翼无人机直升机模式横航向模态具有很好的稳定性,直升机模式悬停状态横纵向模态基本没有耦合。     

Sliding mode tracking control for miniature unmanned helicopters

A sliding mode control design for a miniature unmanned helicopter is presented. The control objective is to let the helicopter track some predefined velocity and yaw trajectories. A new sliding mode control design method is developed based on a linearized dynamic model. In order to facilitate the control design, the helicopter’s dynamic model is divided into two subsystems,such as the longitudinal-lateral and the heading-heave subsystem. The proposed controller employs sliding mode control technique to compensate for the immeasurable flapping angles’ dynamic effects and external disturbances. The global asymptotic stability(GAS) of the closed-loop system is proved by the Lyapunov based stability analysis. Numerical simulations demonstrate that the proposed controller can achieve superior tracking performance compared with the proportionalintegral-derivative(PID) and linear-quadratic regulator(LQR) cascaded controller in the presence of wind gust disturbances.     

用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制

发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-State Feedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。     

Time-varying linear control for tiltrotor aircraft

Tiltrotor aircraft have three flight modes: helicopter mode, airplane mode, and transition mode. A tiltrotor has characteristics of highly nonlinear, time-varying flight dynamics and inertial/control couplings in its transition mode. It can transit from the helicopter mode to the airplane mode by tilting its nacelles, and an effective controller is crucial to accomplish tilting transition missions. Longitudinal dynamic characteristics of the tiltrotor are described by a nonlinear Lagrange-form model, which takes into account inertial/control couplings and aerodynamic interferences. Reference commands for airspeed velocity and attitude in the transition mode are calculated dynamically by visiting a command library which is founded in advance by analyzing the flight envelope of the tiltrotor. A Time-Varying Linear (TVL) model is obtained using a Taylor-expansion based online linearization technique from the nonlinear model. Subsequently, based on an optimal control concept, an online optimization based control method with input constraints considered is proposed. To validate the proposed control method, three typical tilting transition missions are simulated using the nonlinear model of XV-15 tiltrotor aircraft. Simulation results show that the controller can be used to control the tiltrotor throughout its operating envelop which includes a transition flight, and can also deal with vertical gust disturbances.     

基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。