共轴式直升机半差动航向操纵的动态响应分析

根据经典的垂直飞行涡流理论及共轴式直升机半差动航向操纵的结构特征,推导了共轴双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程.运用有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据,得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式.分析结果与该型直升机飞行特性一致.     

超小型直升机动力学模型的建模、辨识与验证

为实现超小型直升机的自动控制飞行,需建立较为精确的动力学模型.考虑机体、主旋翼/稳定杆和尾桨间的耦合对飞行动态特性的影响,建立了AF25B型超小型直升机的连续线性时不变系统模型.设计并配置了机载设备,完成在遥控飞行状态下的飞行数据采集与存储.通过时域系统辨识方法,辨识了直升机在悬停状态下的模型参数,并对辨识结果进行验证和分析,表明所建模型能充分反映该型直升机悬停状态下的动态特性.     

悬停状态下小型共轴直升机操纵响应特性分析

从在研共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了悬停状态下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;引入干扰因子到动态入流模型,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从桨叶的挥舞动力学模型出发,利用四阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停状态,总距突增时上下旋翼升力和扭矩的动态响应特性,并分析比较了半差动和全差动航向控制方式的操纵响应差别,为共轴式直升机机动特性的研究作了必要的准备.      

共轴双旋翼前飞气动特性固定尾迹分析

采用无限片桨叶的固定尾迹分析法,建立了前飞状态下共轴双旋翼的固定尾迹模型,对共轴双旋翼的前飞气动特性进行了理论研究.得到给定几何参数、桨盘间距和飞行状态下求解上下旋翼气动特性的完整算法.通过与试验数据对比证明了理论方法的正确性.      

悬停状态下直升机旋翼水滴撞击特性研究

介绍了直升机在悬停状态下,求解旋翼水滴撞击特性的数值方法.该方法根据直升机悬停状态下的准定常特性,对旋翼运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用有限差分方法求解水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对旋翼表面的撞击特性参数,为旋翼防冰系统设计提供条件.最后,对NACA0012翼型的水滴撞击特性进行分析.      

共轴刚性旋翼直升机旋翼控制相位角问题分析

利用共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以XH-59A共轴刚性旋翼直升机为研究对象,分析了旋翼控制相位角对纵向配平特性、需用功率以及上、下旋翼桨毂弯矩的影响。基于分析结果,提出了一种针对共轴刚性旋翼直升机的旋翼控制相位角的配置方法。该配置方法以降低直升机需用功率为目标,并保证上、下旋翼桨毂弯矩和配平特性满足要求。通过该方法能使XH-59A直升机在0~80 m/s的飞行速度范围内满足上、下旋翼最大桨毂弯矩和纵向操纵限幅的要求,并且能最多降低8%的直升机需用功率,为共轴刚性旋翼直升机的设计提供了参考依据。     

单旋翼直升机气动布局对飞行性能的影响

为研究单旋翼直升机气动布局对直升机飞行性能的影响,以直升机飞行动力学模型为基础,在原始气动布局下分别对平飞、爬升与下滑和稳定协调转弯情况下的旋翼需用功率进行了配平,并计算了飞行性能指标,计算结果与参考数据吻合较好,证明模型可用.以UH-60A直升机为例,研究了不同气动布局参数下的直升机飞行性能,结果表明, 在变化范围内,旋翼位置参数对前飞和垂直飞行性能影响都很大,减小旋翼纵向距离有利于提高飞行性能,尾桨倾斜角在悬停和小速度情况下对飞行性能影响较大,平尾水平位置的后移有助于提升最大飞行速度.      

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

共轴刚性旋翼悬停状态桨叶表面压力测量试验与计算研究

针对共轴刚性模型旋翼悬停状态，开展了桨叶表面压力测量试验与数值模拟研究。试验采用微型压力传感器进行桨叶表面压力测量，不仅获得了桨叶表面压力的试验数据，同时为CFD计算方法计算桨叶表面压力提供了验证数据。计算与试验结果对比吻合度良好，验证了CFD计算方法的有效性。研究获得了共轴刚性旋翼上下旋翼桨叶表面的流动情况和压力特性，结果表明:对于上下各4片桨叶的共轴刚性旋翼，桨叶表面压力随着桨叶旋转呈周期性变化，旋转一周出现8个小周期；在上下旋翼扭矩配平的悬停状态，下旋翼桨叶大部分区域受下洗流影响，下旋翼剖面拉力低于上旋翼；在桨尖区域，下旋翼的桨距角大于上旋翼，受各自上洗流的影响，下旋翼剖面拉力高于上旋翼。      

共轴刚性旋翼直升机着舰飞行特性

建立一套能够耦合非定常舰船流场的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以研究该旋翼飞行器在着舰过程中的飞行特性。在舰艉流场模拟方面,采用分离涡方法以获得高精度非定常流场数据;在飞行力学建模方面,引入上下旋翼干扰因子建立共轴刚性旋翼诱导速度模型,并采用等效挥舞运动概念建立其挥舞运动方程;基于“单向耦合”思想构建了计算流体动力学（CFD）向飞行力学模型的数据传递策略,并分别以XH-59A直升机和UH-60A/SFS2组合为算例验证了飞行动力学模型和数据传递策略的正确性。以SFS2舰船模型和XH-59A共轴刚性旋翼直升机组合为研究对象,从直升机操纵余量和非定常载荷水平两方面分析了着舰过程中舰艉流场对共轴刚性旋翼直升机的扰动特征。时均研究结果显示：由于共轴上下旋翼受时均流场的扰动存在差异,飞行员在增大总距以维持高度稳定的同时,还需要减小差动总距以保持机头朝向的稳定。非定常水平研究结果表明：对于共轴构型直升机,舰船流场对拉力及俯仰力矩的非定常扰动,是引起飞行员工作载荷增大的主要因素。     

直升机飞行动力学仿射非线性系统建模

建立一种单旋翼带尾浆直升机飞行动力学仿射非线性系统数学模型，为进一步开展直升机非线性系统特性和控制律设计研究做准备，建模过程中，保证了控制量能在方程中线性表示，又保证了模型的精度，以ＵＨ－６０Ａ直升机为对象，进行定直飞行配平计算以及直升机对不同操纵输入的动态响应计算，计算结果与试飞结果吻合，与国外较成熟的非线性工程实时仿真模型相比有相当的精度，证明建模理论和方法的合理和有效。     

入流模型对直升机配平及动态响应的影响

以常规单旋翼带尾桨直升机为对象,讨论均匀与非均匀入流模型对直升机飞行数值仿真的影响.以Pitt/Peters的动力入流模型为基础,讨论均匀与非均匀入流模型对直升机配平的影响,并分别采用非均匀静态入流、均匀与非均匀动力入流模型,分析直升机在低速、中速和高速前飞时对驾驶员操纵输入动态响应数值仿真的精度及影响程度,为不同目的飞行数值仿真中入流模型的选取提供有益的参考.本文以美国UH-60A黑鹰直升机为对象进行了数值仿真与对比分析.      

基于混合遗传算法的直升机前推/后拉配平

针对直升机配平模型为多元且初始值难以确定的非线性方程组,以及全局最优解不唯一等问题,发展了一种基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。介绍了直升机各个模块动力学方程。其中在旋翼建模中,考虑实际飞行环境下桨叶的运动和操纵特性,以动态入流和叶素法为理论基础,建立了具有配平特性的旋翼气动力模型。基于直升机飞行仿真动力学模型,详细推导了前推/后拉的配平变量和约束方程。通过构造目标函数,将全机配平问题转化为优化问题。通过计算UH-60A直升机在前推/后拉的配平解,并与飞行测试数据进行比较验证。结果表明,前推配平结果与飞行数据有偏差,后拉配平结果与飞行数据吻合。旋翼非定常气动特性是引起总距和脚蹬配平计算误差的主要原因。建立的配平算法适用于直升机不同稳定飞行条件下的仿真。     

直升机飞行数值仿真中尾桨动力学模型探讨

针对常规单旋翼带尾桨直升机,通过对尾桨挥舞运动方程,尾桨动力入流模型,旋翼和机身在尾桨处侧沅的分析与计算,探讨尾桨动力学模型中不同因素对于直升机整机直线飞行状态的配平和驾驶员纵输入动态响应数值仿真精度的影响程度,为不同目的飞行数据仿真中尾桨动力学模型选取提供参考,本文以ＵＨ－６０Ａ直升机的算例进行了对比分析。     

旋翼/平尾气动干扰对直升机配平特性的影响分析

旋翼/平尾气动干扰建模是直升机全机配平模型和飞行动力学模型的核心内容。常规全机配平模型主要通过旋翼下洗流或诱导速度等方式间接考虑旋翼对平尾的气动干扰作用,但未充分考虑旋翼对平尾非定常气动干扰产生的非线性气动载荷,因而仍难于准确体现旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响。为此本文基于非定常面元/黏性涡粒子法,通过在平尾面元中增加由旋翼和平尾尾迹时变干扰产生的非定常压力项,建立旋翼/平尾气动干扰模型,直接计算平尾非线性气动载荷,并耦合基于GA/LM混合优化的直升机全机配平方法,构建旋翼/平尾气动干扰作用下的直升机全机配平特性分析方法。通过计算UH-60A直升机的旋翼操纵量和机体姿态,并与试验测试值对比验证本文方法的准确性。通过与基于诱导速度考虑旋翼/平尾气动干扰的直升机配平结果比较表明,后者难于体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增现象,而本文方法能较好地体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增,且与OH-6A、EH-101等试验测量的特性一致。研究不同平尾构型对旋翼/平尾气动干扰下直升机全机配平特性的影响,分析表明低平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,而高平尾则增加高速纵向操纵量;前置平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,右旋直升机的右置平尾有利于减小低速纵向操纵量突增和机体俯仰角。      

无人直升机LPV控制律设计

针对无人直升机航迹控制要求,提出一种基于线性变参数(LPV)控制理论的无人直升机一体化式飞行控制律设计方法,通过速度、侧滑角、高度和偏航角控制通道的显模型跟踪控制,实现无人直升机航迹控制。建立了无人直升机高阶非线性动力学模型,模型中考虑了旋翼桨叶挥舞和摆振运动、旋翼动态入流、机体运动之间的运动耦合,用于检验直升机高阶运动特性对控制律性能和闭环系统稳定性的影响。由于无人直升机的非线性动力学模型是典型的周期性系统,基于简谐平衡方法进行无人直升机的配平和模型线性化计算,在速度包线内得到用于控制律设计的无人直升机LPV模型,通过凸函数优化方法求解LPV控制律的参数。基于典型直升机机动,采用数值仿真方法对LPV控制律在传感器噪声影响下的控制性能进行检验,仿真结果表明：LPV控制律在速度包线内具有良好的控制性能和鲁棒性,无人直升机闭环系统在机动飞行中满足给定的性能要求。     

直升机机动飞行逆仿真研究

对直升机典型机动飞行做逆仿真数值计算与分析.逆仿真中采用了较为复杂的非线性飞行动力学模型,包括非均匀入流、机身非线性气动力以及包含机身运动耦合的旋翼挥舞运动与作用力模型.提出了与非线性模型相适应的逆仿真算法,并将组合迭代方法用于求解广义非线性代数方程组.对跨越障碍(pop-up)和180°水平转弯(level turn)机动进行机动性描述.以某型直升机为例,对跨越障碍和180°水平转弯两种典型的机动动作进行逆仿真计算与分析.     

风切变场中直升机前飞状态动态响应

为解决复杂风切变场中直升机运动的数值仿真,把握非线性直升机模型在风场中的响应特性,建立了一维、二维的风切变模型,采用直升机非线性飞行动力学模型,考虑直升机的控制系统,用四阶龙格－库塔法数值仿真直升机在风场中的前飞运动.对水平风和铅垂风的各个梯度场对响应的影响进行比较.结果表明,水平风和铅垂风的各个梯度场对响应的影响是不同的,此研究中二维空间的组合梯度场构成更为危险的飞行环境;在不同的情况下其作用是不可忽略的,尤其注意在低空飞行状态下对直升机飞行性能的影响.也进一步说明此数值仿真法对非线性直升机模型在复杂风场中响应研究实用有效.