柔性变后掠飞行器非定常气动特性数值研究

为研究柔性变后掠飞行器变形过程中的非定常气动力,对柔性变后掠飞行器进行了非定常数值仿真。首先分析了柔性变后掠飞行器在特定后掠角下的定常气动特性,接着选用三种变后掠周期进行了非定常计算,分析了不同变后掠速度对飞行器气动特性的影响,以及定常与非定常气动特性的差别,并研究了这种差异产生的原因。结果表明:柔性变后掠飞行器通过后掠角的改变可以使实时气动性能达到最优;不同变后掠速度引起的气动力差异不大;定常气动力与非定常气动力最大差异不超过7%,其差异主要是由于机翼上气动力的差异引起;非定常计算的升力、阻力系数大于定常结果,俯仰力矩系数与定常计算值差异不大。非定常气动力的产生机理是由于机翼的附加速度所引起的,与流场迟滞无关。总体上看,攻角小于14°时,小后掠可以取得较大的升力、阻力系数;大于14°攻角,大后掠的升力、阻力系数较大;所有后掠角均在4°攻角处取得最大升阻比且小后掠角的升阻比较大;当升力系数小于1.28时,小后掠角产生较小的阻力系数,超过这一数值,大后掠角的阻力系数较小。     

变展长战术导弹非定常气动特性研究

以某轴对称基准弹为模型,通过数值模拟对其进行了准定常和非定常气动特性研究,探索可变翼飞行器在变展长过程中的非定常气动特性。结果表明:在弹翼连续变展长的过程中,非定常气动特性曲线在对应的准定常气动特性曲线周围形成滞回环,若来流马赫数增大,则滞回环变小。当来流为超声速时,轴对称基准弹飞行迎角和变形周期对其非定常气动特性影响较小,而非定常气动特性并不显著,接近于准定常气动特性,在可变翼飞行器设计过程中可以忽略不计;当来流为亚声速时,展长变化对非定常气动特性有一定的影响,不能忽略。     

可变形飞行器机翼两种变后掠方式及其气动特性机理

为了探索可变形飞行器机翼以不同方式变后掠时的气动特性差异及其物理机理,对旋转变后掠和剪切变后掠翼身组合体进行了宽广速域的绕流流场数值模拟,并对其气动特性与机理进行了分析。计算中,采用粘性可压缩流动的数值模拟方法和三棱柱-四面体的非结构-结构混合网格。结果表明:剪切变后掠具有优于旋转变后掠的特性,前者在宽广的速域内均具有显著优越的升阻比和阻力,主要原因在于不同变后掠方式所引起的流场结构的显著差异。     

智能可变形飞行器关键技术发展现状及展望

智能可变形飞行器是当前航空航天飞行器研究领域的一个热点,是最有可能带来航空航天技术变革,产生颠覆性影响的领域之一,因此受到国内外的广泛关注。本文首先指出飞行器可变形的需求主要来源于如下几个方面,即:1)未来飞行器的飞行空域、速域不断扩大,固定外形可能无法满足不同飞行工况对飞行器气动和飞行性能的需求;2)单架飞行器实现多个飞行使命和任务,可能需要飞行器在执行不同飞行任务时具有不同的气动外形;3)提升现有飞行器的气动总体性能,要求其在各个飞行阶段,通过调整气动外形,使其始终保持优良的气动和飞行性能。介绍了现代意义上的智能可变形飞行器所包含的"变形"和"智能"两方面的含义,其中"变形"是指不同空间尺度(局部、分布、整体)和时间尺度的连续变形,涵盖的范围很宽。按照变形尺度和实现的功能将其划分为三类,即:局部变形(小变形)、分布式变形(中等尺度变形)、整体式变形(大尺度变形)。按照实现方式将其划分为两类:机械式变形和基于智能材料结构的变形。并指出当前这个领域的所谓"智能"基本都限制在智能材料或结构、智能控制等较为单一的领域,距离理想的智能变形有很大差距。本论文的论述重点放在可变形技术所涉及的基础科学问题和关键技术。第二,从1903年人类第一架依靠柔性变形机翼实现控制的莱特兄弟的带动力飞行器起,到20世纪六七十年代以F14为代表的变后掠翼技术,至近些年来在湾流III飞机上成功实现飞行演示验证的连续变后缘弯度技术,系统地介绍了可变形飞行器的发展历程。第三,分别从可变形飞行器设计所面临的关键技术和可变形飞行器两大基础科学问题及技术瓶颈问题的角度,系统地介绍了可变形飞行器所面临的关键问题和国内外研究进展。从设计的角度看,主要问题在于:智能可变形飞行器需求分析和概念研究,智能可变形飞行器总体和分系统设计技术。从基础科学问题和瓶颈技术的角度看,主要问题在于两个方面,即:可变形飞行器气动、飞行力学和飞行控制,变形结构、驱动与变形控制。第四,针对智能可变形飞行器的内涵、可变形的技术指标、变形材料与结构以及效费分析等几个方面进行了有益的探讨。最后对智能可变形飞行器技术的未来发展进行了展望,指出智能可变形飞行器技术是螺旋式发展的,一方面需要开展广泛系统的基础理论和关键技术探索研究,从基础做起;另一方面需要从工程化的角度梳理可变形飞行器一类或几类较为明确的背景需求,以牵引该领域的有序快速发展。     

滑动蒙皮变后掠无人机非定常气动特性研究

为了探索飞机变形过程中的非定常气动特性及其机理,基于滑动蒙皮变后掠无人机这一可变形飞行器大尺度全局变形研究平台,通过风洞实验对其进行了非定常气动特性研究。结果表明:无人机变后掠过程中非定常气动特性曲线在相应的准定常曲线周围形成滞回环;无人机变后掠速率越快,滞回效应越显著;无人机以约7.5°/s的速率变后掠,会使非定常气动特性数值偏离相应的准定常数值5%以上;变后掠无人机非定常气动特性产生的主要原因可能在于流场结构迟滞和机翼附加速度。     

可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型气动特性分析

以变弯度翼型为研究对象,计算了其六种外形的绕流流场,分析了不同的连续光滑变形翼型与传统偏转翼型的气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理;与此同时,以形状记忆聚合物柔性蒙皮和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,并在风洞实验中测试了其气动特性。计算和实验结果表明:可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型能改进传统主翼-简单襟翼翼型的气动特性和流场分离特性;可变形段范围、转轴位置、后缘偏转角度、后缘高度等变形参数对气动特性具有显著影响。     

柔性翼微型飞行器水平阵风响应特性实验研究

设计研制了一种飞翼布局的柔性翼和刚性翼微型飞行器,并在风洞中研究了两种微型飞行器在定常风和水平阵风作用下的气动特性,给出了柔性翼和刚性翼微型飞行器气动特性的差别。研究结果表明：不论是在定常风情况下,还是在水平阵风环境下,柔性翼的气动特性要优于刚性翼结构,柔性翼具有延迟失速和缓和阵风影响的能力,有利于稳定飞行。PIV测量结果表明：由于柔性翼的变形使刚性翼和柔性翼翼面上的流态不同,从而使微型飞行器的气动特性发生改变。     

低空飞行器变质量矩控制响应特性研究

在建立碟形飞行器变质量矩控制数学模型的基础上,对低空飞行器变质量矩控制的响应特性进行了仿真研究。结果表明,变质量矩控制将使飞行器状态产生扰动。分析认为,空气动力在控制过渡过程中发生突变导致了这种扰动的产生。空气动力的这种影响在低空飞行器变质量矩控制系统设计中必须加以分析和考虑。     

飞机外翼段大尺度剪切式变后掠设计与分析

飞机大尺度全局变形过程中存在诸多需要研究的基础问题,为此构建了研究平台并开展了实验研究。基于飞行器机翼"旋转变后掠"与"剪切变后掠"的气动特性计算结果,设计了气动特性相对较优的飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式;研制了基于可控变形结构与连续变形规律的实验模型;进行了风洞实验研究。结果表明:本文研制的剪切式变后掠飞机在蒙皮、结构、驱动、控制等方面满足气动特性研究的需求;其准定常气动特性曲线显示出变后掠的较大气动效益;其非定常气动特性曲线呈现出滞回环,原因可能在于"机翼附加速度效应"和"流场结构迟滞效应"。     

变距变转速多轴旋翼飞行器性能分析与试验

分析了制约现有多旋翼无人机性能方面的影响因素,提出通过旋翼变距变转速来改善其飞行性能的方法;综合动态失速、桨叶非定常挥舞与旋翼动态入流模型,建立了旋翼变距与变转速的气动模型,为准确的性能分析奠定基础;研制了变距变转速多旋翼试验样机并进行了飞行试验。试飞试验结果与理论计算结果表明:飞行器随着起飞质量的增加,需用功率明显增加;飞行器在不同起飞质量,不同旋翼转速下的需用功率值理论结果与试飞试验结果对比表明,小起飞质量下的功率计算值与实验值相符程度达到97%,而在大负载下理论计算值与实验值相符程度也在95%左右,证明了理论分析方法能较好的预估飞行器的气动特性和性能指标。进一步的理论计算表明,旋翼变距和变转速技术能够有效提高多旋翼飞行器起飞质量,续航时间等关键性能指标。      

Design,modeling, and control of morphing aircraft:A review

A morphing aircraft can adapt its configuration to suit different types of tasks, which is also an important requirement of Unmanned Aerial Vehicles(UAV). The successful development of an unmanned morphing aircraft involves three steps that determine its ability and intelligent: configuration design, dynamic modeling and flight control. This study conducts a comprehensive survey of morphing aircraft. First, the methods to design the configuration of a morphing aircraft are presented and analyzed...     

变体飞机设计的主要关键技术

针对变体飞机的特点,分析了其在设计中出现的诸多新的技术难点,对拟解决的主要关键技术,包括变体飞机不同于常规固定构型飞机的总体及气动协调设计、机翼智能结构设计、可控性设计与飞行控制系统设计等进行了详细介绍。研究结果对于变体飞机的设计具有一定参考价值。     

Integrated method of guidance,control and morphing for hypersonic morphing vehicle in glide phase

The morphing technology of hypersonic vehicle improved the flight performance by changing aerodynamic characteristics with shape deformations, but the design of guidance and control system with morphing laws remained to be explored. An Integrated of Guidance, Control and Morphing (IGCM) method for Hypersonic Morphing Vehicle (HMV) was developed in this paper. The IGCM method contributed to an effective solution of morphing characteristic to improve flight performance and reject the disturbance for guidance and control system caused by the morphing system for HMV in gliding phase. The IGCM models were established based on the motion models and aerodynamic models of the variable span vehicle. Then the IGCM method was designed by adaptive block dynamic surface back-stepping method with stability proof. The parallel controlled simulations’ results showed the effectiveness in accomplishing the flight mission of IGCM method in glide phase with smaller terminal errors. The velocity loss of HMV was reduced by 32.8% which inferred less flight time and larger terminal flight velocity than invariable span vehicle. Under the condition of large deviations of aerodynamic parameters and atmospheric density, the robustness of IGCM method with variable span was verified.     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

细长体飞行器自由边界热模态试验与仿真

随着耐热承载一体化材料在新型高超声速飞行器上的应用,承力结构的工作温度不断提高,各类热模态特性逐渐得到关注。针对非平面形状的细长体飞行器自由边界条件下的热模态特性开展了研究。通过研究模拟气动加热条件的圆筒形加热笼、模拟自由边界的耐高温柔性支撑、非接触激光多普勒测振、耐高温激振杆激励等试验方法,获得了细长体结构自由边界条件下随温度变化的前3阶模态变化情况。结果表明：对此类薄壁长圆筒类结构,温度升高对模态频率影响可以超过6 Hz。开展有限元仿真,并与试验取得的热模态结果的变化规律进行对比。结果表明：建立考虑温度对结构弹性模量、热应力影响的壳单元模型,能够较好地预测出前3阶模态频率在全部受热时间范围内的最大下降量,可为高超声速飞行器控制系统设计时的拉偏范围提供参考。     

伸缩机翼变体飞机气动特性研究

伸缩机翼变体飞机通过机翼伸缩调整机翼展长,从而改变机翼面积和展弦比,改变飞机的气动布局和机翼的气动特性,满足多任务点的设计要求。简要介绍伸缩机翼变体飞机的发展历史,重点研究一种采用伸缩机翼设计的超音速飞机的气动特性变化。研究结果表明：亚音速时机翼展长伸长,展弦比增大,飞机诱导阻力降低,升阻比提高,可以明显提高飞机的航程;超音速时机翼展长缩短,展弦比减小,飞机的波阻降低,升阻比增大,提高了超音速飞行性能。伸缩机翼概念用于超音速飞机设计时能很好地兼顾亚音速巡航和超音速冲刺。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

折叠机翼变体飞机非对称变形控制效率分析

折叠机翼变体飞机变形量大,变形引起的气动参数变化显著,提出一种将非对称变形作为操纵输入的控制方案,研究非对称变形的控制效率和有效区间。首先建立能够完整描述变形过程的非线性动力学方程和气动力模型;然后基于非对称变形控制方法建立一种非对称变形操纵模型;最后通过与常规操纵面效率对比和仿真的动态响应总结出非对称变形操纵的最大变形操纵有效区间。结果表明:在较低飞行速度下非对称变形操纵效率高,非对称变形操纵能够在基准折叠角度90°附近提供最高的滚转操纵效率。     

含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究

 针对传统翼梢小翼在非设计状态减阻效果不佳的缺点,提出一种含有形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变体翼梢小翼结构,它能根据飞行状态主动调整小翼的倾斜角,实时优化飞机的阻力特性.采用力-热-应变耦合法设计了所需的SMA弹簧驱动器,并通过有限元仿真与风洞试验验证了变体翼梢小翼的变形能力,最后初步研究了变体翼梢小翼的闭环控制方法.研究结果表明,在飞机的起飞阶段(自由来流流速为26 m/s,迎角为3°),变体翼梢小翼的倾斜角能在1 min内自主完成预定变化过程,倾斜角的最大变化量为23°,控制精度的最大误差为12%,各项指标均符合设计要求.     

伸缩机翼变形技术研究

变体飞机可以根据需要改变气动外形,以便在不同的飞行状态都能获得最佳的气动性能,提高飞机的任务适应能力。伸缩机翼变形技术在国外已经过几十年的研究和探索,是变体飞机技术的主要发展方向之一。本文综述了伸缩机翼技术的发展历史及国内外研究情况,阐述了伸缩机翼变形原理及其优缺点,提炼了设计伸缩机翼所涉及的关键技术,展望了伸缩机翼技术在飞机、导弹、地效翼飞行器以及飞行汽车等方面的应用前景。