水上电动飞机浮筒设计及起飞滑行

水上飞机起飞滑跑时低速滑行阶段的阻力变化规律对于其设计研究十分重要,而电动水上飞机正常起飞所需最大拉力是否匹配现有电推进系统是飞机改型设计的关键。首先,针对基准浮筒水阻力较大引起的纵向不稳定问题进行了优化设计,优化后浮筒水动性能有明显提高。其次,基于Fluent中的多相流（VOF）模型对水上电动飞机起飞滑跑阶段的力学特征进行了数值模拟计算,着重分析了不同速度下的姿态变化规律、阻力变化及流场特性。最后,对"阻力峰"这一节点下所需电推进系统功率进行了验证计算,结果显示现有装置满足起飞的动力要求;将实际起飞滑跑试验与仿真结果进行对比,结果显示力学特性变化规律基本一致,所得误差在15%之内,验证了仿真计算的可行性,所得结论可为电动水上飞机的研究设计提供借鉴。     

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍；飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

轮式起降无人机滑跑起飞阶段动力学仿真研究

无人机地面滑跑起飞阶段是飞行过程中的危险阶段,其受力情况复杂,动力学特性与空中飞行时略有不同。以某轮式起降无人机为研究对象,根据起落架的机械特性和几何关系将起落架等效为一个弹簧阻尼系统,并在Matlab/Simulink中集成无人机本体、起落架、发动机、舵机、控制系统等模型,建立的仿真平台模拟无人机滑跑起飞全过程。结果表明:该轮式起降无人机在滑跑起飞过程中压着机头滑跑,始终对准航向,滚转姿态变化很小;在大油门推力作用下无人机增速较快,抬前轮后瞬间主轮离地,并以稳定的速度爬升,较短时间内可以到达安全高度。     

基于改进神经网络的无人机起飞滑跑性能

文中通过对无人机的起飞滑跑过程,及起飞滑跑阶段的控制策略进行研究,对传统起飞滑跑性能理论计算方法的,局限性进行分析,提出一种基于改进神经网络算法的,无人机起飞滑跑性能计算方法。通过建立改进的神经网络模型,对各种环境条件下的发动机推力进行计算,依据飞行试验结果,利用单参数分析换算法,可以预测出不同环境条件下的无人机起飞滑跑性能。通过多架次飞行试验表明,基于改进神经网络算法的,无人机起飞滑跑性能计算方法精度较高,该方法与传统理论计算方法相比,更贴合工程实际应用,还可应用到无人机复杂任务环境,或新使用环境下的适应性分析中,达到降低飞行风险的目的。     

水上飞机起飞历程的水动力特性研究

水上飞机能够在水面高效起降得益于船体布局的精细化设计,而深入掌握水上飞机的水面起飞滑行规律对于飞机的研制至关重要。采用水池拖曳试验和数值模拟方法两种研究方法探寻流动机制,分析大型两栖水上飞机滑行过程中的水动力特性。结果表明:利用计算流体动力学技术可以较为精确地模拟复杂外形的两相流耦合六自由度运动,与水池拖曳试验的流场形态和模型动力学特性吻合,在起飞全过程中阻力误差均在10%以内;对于带起落架舱的大型两栖水上飞机,前体舭弯产生的强烈喷溅是阻力峰产生的根本原因。     

水上飞机起飞历程的水动力特性分析

水上飞机能够在水面高效起降得益于船体布局的精细化设计,而深入掌握水上飞机的水面起飞滑行 规律对于飞机的研制至关重要。采用水池拖曳试验和数值模拟方法两种研究方法探寻流动机制,分析大型两 栖水上飞机滑行过程中的水动力特性。结果表明:利用计算流体动力学技术可以较为精确地模拟复杂外形的 两相流耦合六自由度运动,与水池拖曳试验的流场形态和模型动力学特性吻合,在起飞全过程中阻力误差均在 10%以内;对于带起落架舱的大型两栖水上飞机,前体舭弯产生的强烈喷溅是阻力峰产生的根本原因。     

剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD) /FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法.该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散.控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程,空间方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解,时间方向采用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行推进.在此基础上,采用FW-H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场,以获得尾桨的噪声特性.应用该方法对两种剪刀式尾桨构型(“L”构型和“U”构型)进行了计算研究,对比分析了剪刀式尾桨在气动力和噪声方面与常规尾桨的差别,以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律.计算结果表明,构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大,合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平.     

理论解用于复杂构型飞行器气动阻力方法研究

针对现有的理论解方法尚不适用于复杂构型飞行器气动力求解的问题,从稀薄气体分子的动力学模型出发,制作等效平面以分析各部分来流的宏观特性,并将入射流和反射流作用分开进行考虑,从而计算出几种典型情况下的气动阻力值。后续验证表明,在分子-壁面间多次碰撞不显著时,此方法能够获得较准确的气动力结果。所提出的气动力计算方法对低轨道飞行器的气动力计算及气动构型优化等工作均具有一定的参考价值。     

天宫飞行器低轨控空气动力特性一体化建模与计算研究

对非规则板舱组合体天宫飞行器300~200 km低轨道飞行过程空气动力特性一体化计算建模,提出考虑复杂构型物面遮盖效应面元解析法与经修正的Boettcher/Legge非对称桥函数,发展基于三角形面元逼近复杂外形通用处理方法,建立适于天宫飞行器复杂物形处理与面元气动力系数计算规则;将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形,进行气动力当地化关联参数计算修正,建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行控制过程空气动力特性一体化快速算法与程序软件。对大尺度圆柱体外形与天宫飞行器300~200 km不同高度变轨飞行过程不同迎角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证,表明天宫飞行器在200 km以上低轨道飞行控制过程中所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化(8%~50%),证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数,误差累积巨大,需要采取防护措施,低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度最关键因素。     

舰载飞机弹射滑跑起飞特性计算

给出舰载飞机从航空母舰上弹射滑跑起飞的动力学模型，基本解算方法和示例计算结果。考虑了起落架油液减震装置的柔性对起飞滑跑特性的影响，列出了起落架受力的数学模型和飞机纵向动力学方程，根据编制的计算机源程序，以典型的Ａ－６舰载机为算例，给出在整个弹射滑跑起飞过程中的ａ，ｘ，ｘ，ｙ和ｙ等弹射运动参数的动态反应特性。     

某型无人机滑跑起降纠偏控制改进分析

地面滑跑起降是轮式无人机飞行过程中的一个重要阶段,研究地面滑跑起降阶段的动力学特性对于无人机抗侧风特性摸底和纠偏控制律设计优化具有重要意义。基于轮胎侧向力模型、弹性轮胎和刚性机体假设,在 Matlab 平台建立地面滑跑阶段全量非线性模型和纠偏控制模型,综合分析发动机扭矩与侧风等工况下滑跑起飞和着陆过程中的响应特性,并对比分析两种不同纠偏控制模型下的纠偏性能和抗侧风特性。结果表明：该仿真模型能够反映无人机滑跑起降阶段的动力学特性,改进后的纠偏控制模型能够大幅缩短滑跑起飞距离,并且可以较好地实现纠偏控制。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

纵向静不稳定对飞翼起飞性能的改善研究

按照纵向静不稳定配平原则设计了一个飞翼的总体方案,通过CFD计算得到了相关气动数据.采用数值方法仿真了纵向静不稳定飞翼在两种滑跑抬头状态的起飞离地过程.分析了升降副翼向下偏转时刻对于抬头时间和剩余抬头角速度的影响,给出了迎角、抬头角速度、力矩等参数随时间的变化曲线,最后分析了起飞过程所需要的滑跑距离.研究结果表明,纵向静不稳定飞翼能够达到与常规飞机相同的起飞速度和起飞滑跑距离指标.     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘，数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性，全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响，较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先，在interDyMFoam中添加了激励盘模型，以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场，用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响，较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次，对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核，验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后，利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

外吹式襟翼动力增升效果评估方法

外吹式动力增升襟翼可以有效地缩短运输类飞机的起降距离,其增升效果评估方法是运输机动力增升设计的关键技术之一。本文采用基准气动力耦合速度修正方法,发展了一套适用于外吹式襟翼动力增升效果快速评估的计算方法;该方法充分考虑了动力增升飞机性能计算对气动力数据的需求,解决了传统推力系数法的小速度大推力系数求解限制问题、无法准确求解离地速度以及多速度点气动力求解引起的计算效率问题。以某运输机为例,分析了其气动力及起飞性能,对其外吹式襟翼动力增升效果进行了评估,验证了方法的正确性。研究表明:通过优化动力增升襟翼偏转角,起飞滑跑距离最大减小量可达到25%;过大的襟翼偏转角将显著地增加飞机阻力,不利于缩短起飞滑跑距离。研究工作对运输机的外吹式动力增升襟翼设计,具有一定的工程指导价值。     

高超声速飞行器一体化纵向气动特性分析

高超声速飞行器机体/推进一体化构型具有高性能、高升阻比等优点,但由于气动、推进与控制作用相互耦合,给飞行动力学模型研究带来新的挑战。基于高超声速飞行器空气动力学理论,研究了一体化的气动推进计算方法。该方法采用斜激波理论、普朗特迈耶公式及激波膨胀波理论计算了高超声速飞行器气动力及推力,通过与CFD的计算结果比较,验证了方法的准确性与可靠性。最后对飞行器的纵向气动特性进行了分析与讨论。     

一种CFD/CSD耦合计算方法

针对柔性大展弦比机翼气动弹性分析和主动弹性机翼(AAW)设计发展了一种计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法。其主要思想是采用在同一物理时间弱耦合求解CFD/CSD技术。气动力采用非定常N-S方程的双时间有限体积求解技术,结构响应则采用有限元数值求解技术。CFD和CSD耦合计算的边界信息(气动力和网格)由所设计的界面程序传输。网格信息传输采用守恒体积转换(CVT)方法将CSD计算结构响应位移插值到CFD网格点上。变形已有的CFD网格技术用以确定CFD的变形网格。以位移或载荷的迭代误差为判断耦合计算的收敛标准。最后得到了机翼在Ma=0.8395,α=5.06°时CFD/CSD耦合计算的收敛值。针对计算结果分析了机翼受静气动弹性过程中结构响应和气动特性随时间变化的效应。初步研究结果表明:这种弱耦合方法求解非线性气动弹性问题是可行的。     

CJ818高升力构型吹吸气流动控制研究

为满足飞机起飞和着陆时的各项性能要求,采用前缘吹气和后缘吸气流动控制技术,完成增升装置高升力构型设计优化。在原型机增升装置基础上,对多组不同吹吸气参数的增升装置翼型进行网格划分和CFD计算,在原构型缝道参数最优值的基础上进一步得到更好的气动性能。CFD计算验证表明:应用流动控制的增升装置相对其原型机增升装置在气动特性方面有很大改善,升力系数有明显提高。从而在起飞和着陆时,可以降低飞行速度,缩短滑跑距离,满足飞机气动性能和场域性能要求。     

基于当地流活塞理论的翼-身组合体飞行器大攻角超声速颤振分析

基于当地流活塞理论推导了旋成体机身和任意外形三维机翼非定常气动力计算公式,结合CFD数值仿真,将当地流活塞理论推广用于复杂外形飞行器全机大攻角超声速颤振计算。以翼-身组合体面对称外形飞行器为例,进行带攻角的超声速颤振计算,并与非定常气动力采用CFD全数值仿真求解得到的颤振计算结果比较,验证了本文方法的正确性和效率。     

飞翼无人机进舰下滑纵向固有模态特性研究

针对舰载飞翼布局无人机与常规布局飞行器不同的气动外形,建立无人机飞行状态下附近流场的网格模型,并计算了该型无人机的气动参数。基于插值函数计算得出该型无人机的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数对于迎角变化的曲线。建立纵向小扰动方程进行仿真计算,求解出该型无人机在进舰下滑状态时的固有模态特性。计算结果表明,该模型在配平条件下可用于舰载飞翼布局无人机的着舰气动适配性研究。