螺旋桨径向力风洞试验方法研究

螺旋桨飞机的研制设计过程中,必须了解和掌握动力系统对飞机气动特性的影响。螺旋桨动力系统对飞机的影响主要包括螺旋桨拉力和扭矩、气流斜吹螺旋桨产生的径向力以及滑流影响。螺旋桨径向力的风洞试验在国内尚属探索研究阶段,本文结合型号研制实际应用,对气流斜吹螺旋桨产生的径向力的机理和试验方法进行了研究探索,提出了一种以螺旋桨直接模拟法为基础的螺旋桨径向力风洞试验方法,并通过理论和试验方法完成了试验结果的相关性修正、全机对螺旋桨径向力的上洗等干扰修正,获得了可以满足工程研制使用的螺旋桨径向力数据,可为同类的螺旋桨飞机总体气动布局设计提供参考。     

螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法

螺旋桨滑流对飞机各部件的气动干扰造成飞机的俯仰力矩特性恶化，危害飞行安全。开展螺旋桨滑流对螺旋桨飞机俯仰力矩特性的影响机理研究和螺旋桨滑流作用下螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法研究十分重要。采用动态重叠多块结构网格，通过求解非定常雷诺平均可压缩Navier-Stokes方程，数值模拟了某螺旋桨飞机不同拉力系数下降落构型的绕流流场。结果显示螺旋桨滑流对机翼、平尾的气动干扰是导致飞机俯仰力矩特性恶化的主要原因，改进螺旋桨飞机俯仰力矩特性的关键是改进其平尾的升力特性。以拉力系数等于0.4时的降落构型为优化对象，开展了俯仰力矩特性的改进方法研究，包括降低平尾高度、改变平尾上反角、抬高螺旋桨轴线等方法。研究发现在不增大机翼对平尾整体下洗强度的前提下，减小平尾和螺旋桨轴线的垂向距离，可以明显地改善螺旋桨飞机的俯仰力矩特性。     

涡轮螺旋桨飞机的进动效应分析

从转子动力学的角度，分析了涡轮螺旋桨飞机螺旋桨和发动机转子进动效应对飞机飞行姿态和操纵品质的影响。阐述了螺旋桨和发动机转子转动惯量的计算方法、由进动产生的附加力矩或角速度的计算方法。     

螺旋桨1P力矩飞行试验研究

以桨叶1P载荷桨叶应变测量法为基础,研究了螺旋桨1P力矩,阐述了螺旋桨1P力矩计算方法步骤,给出了某型飞机的飞行试验测试结果,针对试验结果分析了螺旋桨1P力矩的影响因素、变化规律以及与飞机飞行状态的关系。     

进动效应对涡轮螺旋桨飞机的影响

从转动力学的角度 ,分析了在大型涡轮螺旋桨飞机中 ,螺旋桨和发动机转子进动效应对飞机飞行品质和操纵品质的影响。阐述了螺旋桨和发动机转子转动惯量的计算方法 ,由进动产生的附加力矩或角速度的计算方法。     

鸭式飞机矢量喷流对大迎角气动特性的影响

针对单发鸭式布局飞机，通过低速风洞试验，研究了矢量喷流对飞机大迎角气动力的影响特性。研究结果表明：发动机喷口直径变大使得飞机大迎角升力和阻力系数增加，并产生低头力矩系数。喷流使得飞机大迎角升力和阻力系数明显增加，并产生低头力矩系数；大喷口状态喷流影响比小喷口状态高50%左右。发动机喷管上/下偏转时，矢量喷流对飞机上下表面气流诱导不对称，喷管上偏减小升力和阻力系数、产生抬头力矩系数，喷管下偏增加升力和阻力系数、产生低头力矩系数，且喷管下偏影响明显比上偏大。在此基础上，基于数值模拟结果对喷流与飞机主流的相互作用机理进行了分析。     

小迎角纵向不稳定飞机起飞安全性分析

由于螺旋桨滑流的影响,某运输机起飞构型在小迎角时纵向稳定性裕度不足,甚至不稳定,给飞机带来安全隐患.分析了某运输机起飞构型纵向力矩特性,讨论了螺旋桨滑流对纵向静稳定性的影响、影响飞机起飞时的安全因素和进入小迎角飞行的条件,建立了飞机起飞的数学仿真模型,通过大量的仿真计算,研究了突风和驾驶员误操纵对飞机起飞安全性的影响,给出了起飞时飞机所能抗御的最大突风速度.研究结果表明,某运输机小迎角稳定裕度不足,不稳定对飞机安全起飞的影响可以不予考虑.     

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机，针对1：15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响，对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算，再现了风洞试验现象，通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂，这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速，为保证飞行安全，继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示，在飞行雷诺数和螺旋桨转速下，相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失，偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析，建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系，进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估，研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。     

螺旋桨滑流对平尾载荷的影响分析

为了研究涡轮螺旋桨滑流对平尾的载荷影响,以某高平尾、螺旋桨桨叶右旋的运输机为例,通过带动力风洞测力测压试验获得了飞机的气动特性,试验结果给出了螺旋桨不同拉力系数状态下滑流对飞机俯仰力矩系数、平尾法向力系数的影响。在飞机正迎角较大时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著。按照CCAR-25部对称机动的设计准则,利用飞行力学六自由度非线性微分方程,结合试验结果开展了有/无滑流影响两种情况下对称机动仿真和平尾载荷影响分析。分析结果表明,螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值变化较大;平尾的法向力、弯矩和扭矩限制正载荷明显增大,限制负载荷有所减小。     

考虑螺旋桨滑流影响的垂尾飞行载荷设计

依据CCAR-25部偏航机动的设计准则,研究了螺旋桨滑流对垂尾载荷设计的影响.以T型尾翼布局、桨叶右旋的某支线客机为例,分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响:拉力系数越大,则滑流对飞机侧向力系数和偏航力矩系数的影响越大;在负侧滑时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著;正侧滑时,滑流对飞机气动特性的影响较小.基于飞行力学六自由度非线性微分方程,开展了有/无滑流影响情况下偏航机动仿真和垂尾载荷设计.结果表明:螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值增大,算例飞机的垂尾侧向力、弯矩和扭矩限制载荷分别增大5.21％、8.21％和4.85％.     

Bifurcation analysis of polynomial models for longitudinal motion at high angle of attack

To investigate the longitudinal motion stability of aircraft maneuvers conveniently, a new stability analysis approach is presented in this paper. Based on describing longitudinal aerodynamics at high angle-of-attack (a < 50 ) motion by polynomials, a union structure of two-order differential equation is suggested. By means of nonlinear theory and method, analytical and global bifurcation analyses of the polynomial differential systems are provided for the study of the nonlinear phenomena of high angle-of-attack flight. Applying the theories of bifurcations, many kinds of bifurcations, such as equilibrium, Hopf, homoclinic (heteroclinic) orbit and double limit cycle bifurcations are discussed and the existence conditions for these bifurcations as well as formulas for calculating bifurcation curves are derived. The bifurcation curves divide the parameter plane into several regions; moreover, the complete bifurcation diagrams and phase portraits in different regions are obtained. Finally, our conclusions are applied to analyzing the stability and bifurcations of a practical example of a high angle-of-attack flight as well as the effects of elevator deflection on the asymptotic stability regions of equilibrium. The model and analytical methods presented in this paper can be used to study the nonlinear flight dynamic of longitudinal stall at high angle of attack.     

一种典型过失速机动的仿真

从飞机的六自由度运动方程出发,结合推力矢量控制系统,进行三种典型过失速机动的数值仿真,主要研究了第一种机动的操纵规律;失速迎角后大迎角不对称气动力和力矩及气动迟 完成过失速机动的影响;推力矢量在实现过失速机动中所起到的作用。此外,对不同初始飞行状态也给予了讨论。仿真结果表明：推力矢量是过失速机动的有效手段;在设计操纵规律时,应予以充分考虑到不对称气动力矩的影响,气动迟滞、进入速度对过失速机动的影响     

某型飞机无动力投放模型自由飞控制律设计

针对某型飞机无动力投放模型自由飞试验中,由于受载机螺旋桨滑流影响,模型与载机分离后发生滚转、难以保证水平飞行的问题,根据模型自由飞试验不同阶段的飞行特点开发了专用控制律,具备直接链、投放控制、失速尾旋3种控制模态。论述了控制律的设计过程,以及在模型自由飞试验中的应用情况。试飞结果表明,该控制律很好地解决了模型与载机安全分离和大迎角水平飞行控制问题,提高了模型试验动作精准度。     

拦阻钩初次碰撞道面反弹动力学

分析了飞机着舰拦阻时,拦阻钩初次接触道面碰撞后被反弹的动力学成因,建立了飞机拦阻钩碰撞道面的弹跳模型。研究了下滑轨迹角和甲板角对拦阻钩碰撞反弹角速度和拦阻钩所受冲量的影响,并分别考虑了航母俯仰运动和甲板凸起物对拦阻钩碰撞反弹性能的影响。结果表明：轨迹角约4°时,拦阻钩反弹角速度和其所受冲量随下滑轨迹角呈线性变化;反弹角速度与甲板角的余弦成反比,道面冲量与甲板角余弦的平方成反比;航母向上的俯仰运动和甲板凸起物增大了拦阻钩反弹角速度,凸起物达到一定角度时,机身推拦阻钩的冲量变为拉拦阻钩的冲量。该模型的结果为机身和拦阻钩装置的设计提供了重要依据。     

阻拦索断裂对螺旋桨舰载机着舰安全影响数值分析

喷气动力舰载机着舰拦阻滑跑，如阻拦索断裂，其逃逸复飞的概率极小。螺旋桨动力舰载机零升阻力大，推重比小，其安全复飞的能力值得研究。本文基于建立的螺旋桨舰载机逃逸复飞仿真模型（含阻拦索工作模型、发动机动力响应模型、升降舵操纵模型与气动力的动力影响修正模型），数值模拟了E-2C舰载预警机着舰阻拦索断裂情况下，其逃逸复飞的过程。仿真计算显示对象飞机在不同气动力、离舰速度与舵面操纵逻辑状态下，其纵向动力学方程中敏感参数与航迹下沉量的动态变化，结合视频数据分析其复飞成功的原因。研究表明：动力对螺旋桨舰载机俯仰力矩与升力特性的影响是其逃逸复飞成功的关键。动力影响使对象飞机的俯仰力矩曲线上移0.15，8°迎角下纵向静稳定性减小85%，升力线斜率增大29.7%、最大升力系数增大39%。这显著改善了螺旋桨飞机逃逸复飞状态下俯仰操纵的敏捷性，升降舵操纵效率与失速特性。动力影响使螺旋桨舰载机可在较小的加速度、离舰速度与有限的留空时间情况下，迅速改变其航迹角，减小航迹下沉量，保证逃逸复飞安全。     

超机动飞机飞行控制及大迎角飞行品质研究

超机动飞机飞行控制和大迎角飞行品质研究,对于强调超机动能力的第四代战斗机的飞行控制律设计、验证和试飞评定有着重要意义。以鸭式布局飞机为研究对象,应用推力矢量技术,结合奇异摄动原理和逆系统理论,设计了基于非线性动态逆理论的超机动飞行控制律。从过失速状态飞机空气动力的非线性和非定常迟滞效应、大气紊流等方面初步验证了控制律的...     

螺旋桨滑流对短舱/机翼构型尾迹流场的影响

螺旋桨滑流对飞机机翼表面流动和尾迹流场有重要的影响，进而改变机翼和飞机的性能。本文通过风洞试验方法开展了螺旋桨滑流对尾迹流场的影响研究。试验模型为后掠角4°、带增升装置的螺旋桨/短舱/机翼模型，试验构型包括襟翼收回和襟翼打开，试验策略是在两种构型下分别同时模拟真实飞行状态的拉力系数和前进比。通过比较有/无螺旋桨时空间尾迹流场的速度场和流动偏角等，分析滑流在尾迹流场中的发展规律和影响范围，研究尾迹流场中滑流的加速效应、下洗和侧洗效应等。结果表明，在滑流作用下，机翼远后方流场参数在机翼展向和垂直方向上均呈现复杂的变化；同时，襟翼收回和襟翼打开构型的滑流效应有明显的区别，影响规律也有所不同。     

飞机迎角的校准及测量

本文首先叙述了迎角传感器空中校准的必要性和常用校准方法,简要介绍了各种常用空中校准方法的原理及其优缺点。实践表明利用静姿态角法阳参数辨识法相结合进行迎角空中校准,在一定范围内是切实可行的。但在大迎角及失速飞行中因非线性带来的一些问题大大增加了校准的难度。本文针对这一事实提出了用直接测定姿态角加计算航迹角间接确定飞机迎角的方法,解决了Y—7飞机失速试飞中的迎角测量问题。实践表明,该方法可以推广用于一般民用飞机的迎角测量。     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。