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。     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究北大核心CSCD

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

三角翼俯仰滚转耦合运动气动特性研究

介绍一套用于３ｍ 低速风洞的俯仰滚转两自由度大振幅非定常实验系统,并利用该系统对—三角翼单独俯仰和滚转及俯仰滚转耦合运动时的非定常气动特性进行了研究。结果表明,飞行器俯仰滚转耦合运动时的气动特性比单独俯仰和滚转时的气动特性复杂得多。     

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。     

一种近空间高超声速飞行器滚转稳定性研究

研究近空间高升阻比构型高超声速飞行器面临的复杂稳定性问题,对其机动飞行安全和操控具有重要意义。为此,通过静、动态风洞试验和数值模拟,开展了类HTV-2飞行器布局典型马赫数和迎角下,滚转方向静稳定性、单自由度和两自由度俯仰/滚转耦合运动动稳定性研究。结果表明：飞行器滚转方向为静稳定;自由振动的滚转单自由度运动为衰减振动曲线,动导数为负值,表现为动稳定;强迫俯仰/自由滚转两自由度耦合运动情况下,由于惯性力矩和非对称滚转力矩共同作用,导致滚转出现振幅周期性变化的极限环运动,甚至失稳发散。     

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。     

低速风洞双自由度大幅振荡试验技术

为满足国内战斗机型号研制对大迎角过失速机动过程中非定常气动力问题研究的需求,中国航空工业空气动力研究院在FL-8风洞开发了一套基于电液伺服马达和电机耦合驱动的双自由度大幅振荡试验技术。简单介绍了该系统的基本组成和试验原理,给出了FL-8风洞动态标准模型双自由度大幅振荡试验的典型结果,分析表明：该系统运行性能稳定,试验数据可靠,重复性精度较高,可以有效应用于飞行器双自由度耦合运动气动特性研究。     

一种临近空间飞行器静/动态气动特性研究

临近空间飞行器典型气动布局给其气动特性尤其是飞行稳定性带来诸多问题,危及飞行安全。为此,针对类HTV-2飞行器布局方案,开展了高超声速飞行时的气动特性研究。通过数值计算和试验结果的对比可见,两者具有较好的一致性,同时看出飞行器具有较高的升阻比,纵横向为静态稳定,并且给出了气动特性在不同飞行速度和高度条件下的变化规律;飞行器单自由度运动具有动态稳定性特性,但是通过风洞试验进行的两自由度耦合运动动态特性试验可以看出,在强迫俯仰运动下滚转出现振荡运动。     

2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验技术研究

风洞虚拟飞行试验(WTBVFT)技术是在风洞环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理过程,它不仅可以更加有效模拟飞行器的机动运动过程、获取气动/运动耦合特性和揭示气动/运动耦合机理,而且能够实现气动/飞行力学集成的相容性研究。鉴于此,简要介绍了2.4 m跨声速WTBVFT技术,包括:相似准则和模拟方法、试验模型支撑技术、气动/运动参数测试技术和操纵控制技术等,并开展了典型导弹模型开环控制、姿态角闭环控制、加速度闭环控制、俯仰/滚转耦合与解耦控制以及靶试弹道验证等WTBVFT。研究结果表明:WTBVFT系统运动灵活,气动参数和运动参数测量结果准确可靠,能够有效模拟导弹实际飞行过程,具备闭环控制与耦合运动解耦控制的试验模拟能力,初步形成了气动/飞行力学一体化试验研究能力。同时,该研究也为开展控制方法优化与验证、数据修正与应用以及发展复杂构型的WTBVFT奠定了技术基础。     

三角翼受迫俯仰滚转耦合运动的气动特性研究

基于刚性动网格的技术,选用B-L湍流模型,利用有限控制体积法对N-S方程进行数值离散,对76°大后掠三角翼的受迫俯仰滚转耦合运动进行了数值模拟,在此基础上,对俯仰滚转耦合运动的气动力特性和流场结构进行了分析。计算结果表明:俯仰滚转耦合运动时,三角翼上表面的涡分布的非对称性将产生横侧方向的偏航力矩和滚转力矩,滚转力矩和偏航力矩随着滚转振幅角和滚转缩减频率的增大而增大,但对法向力影响不大。     

2．4m×2．4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2．4m×2．4m 跨声速风洞（以下简称2．4m风洞）虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

三角翼受迫俯仰滚转运动气动特性的数值模拟研究

基于动网格的技术，利用有限体积法对N—S方程进行数值离散，选用湍流模型，对65°大后掠三角翼的受迫俯仰滚转运动进行了数值模拟，在此基础上，对俯仰滚转耦合运动的气动力特性和流场结构进行了分析。计算结果表明：俯仰滚转耦合运动时，三角翼上表面涡分布的非对称性将产生横侧方向的偏航力矩和滚转力矩，滚转力矩和偏航力矩随着滚转振幅角和滚转缩减频率的增大而增大，但对法向力影响不大。     

飞翼布局飞行器大迎角非定常气动建模

为进一步研究复杂流场气动力模型和辨识方法,通过常规飞翼布局飞行器动态单独俯仰和单独滚转试验数据获得"同相"和"反相"导数。在采用状态空间法建立非定常数学模型的基础上,利用两步线性回归辨识出模型参数,给出带有误差限的特征时间常数分布。数学模型辨识结果与大迎角大振幅运动的试验数据对比表明,该模型建模结果基本上与试验气动数据变化一致,能够反映模型大迎角时的非线性和非定常特性,具有可用性。     

8m低速风洞虚拟飞行试验技术研究

针对大尺寸缩比飞机模型的气动/运动/控制耦合问题,发展了基于8 m大型低速风洞的虚拟飞行试验技术,开展了4 m尺寸的大展弦比类飞机模型虚拟飞行验证试验,并将试验结果与虚拟飞行环境下的仿真结果进行对比。试验系统功能稳定可靠,设计的试验支撑装置运动范围大、可兼顾单/双/三自由度试验,且满足大载荷受力条件;姿态测量精度优于±0.3°,可实时测量舵面位置且延迟不足0.1 s;俯仰和滚转闭环控制试验响应历程和仿真结果平均偏差不超过5%。研究结果表明,8 m风洞虚拟飞行试验技术能够有效模拟大尺寸缩比模型的机动运动,并具备纵向、航向及横向耦合闭环控制试验模拟能力。     

基于状态空间法的横航向非定常气动力建模

建立了大迎角下横航向非定常气动力的状态空间法的模型,并依据某战斗机的大迎角、大振幅单自由度偏航、滚转及偏航-滚转耦合运动的风洞实验数据,对状态空间模型进行结构辨识与参数估计。最后得到的模型辨识结果和预测值均与实验数据符合得很好,表明所建立的此种状态空间法的模型能准确地描述大迎角横航向非线性、非定常的气动力特性。此外,还得到了不同运动类型的特征时间常数。     

径向基神经网络在非线性非定常气动力建模中的应用研究

基于南航NH-2风洞中某飞机模型大迎角大振幅单自由度偏航、滚转及偏航-滚转耦合的谐波、阶跃运动实验数据,应用径向基神经网络,研究人工神经网络描述非线性非定常气动力特性的能力.研究结果表明,所建立的径向基神经网络模型的预测结果与训练数据和验证数据都符合得很好,说明神经网络建模方法可以有效地对高度非线性的气动力进行建模.研究还表明,用神经网络建立模型时所需要的风洞实验数据可以减少,从而提高风洞实验效率、减少风洞实验的时间和成本.     

基于翼面压力的飞行器气动力感知技术与自由飞验证

飞行器在大迎角飞行状态下其复杂绕流流动会导致非指令运动出现,严重影响了飞行器的操纵性与飞行安全。现有以惯性元件为核心的机载设备无法直接提供非定常气动力参数,而如何实时感知飞行器大迎角状态的非定常气动力/力矩,是抑制非指令运动现象的核心所在,将是未来战机设计中亟待解决的空气动力学和飞行控制的关键问题之一。针对上述问题,提出基于翼面压力信息获取特征截面滚转力矩系数C_lsec,估算飞行器全机在大迎角状态下的非定常气动力矩,进而判断飞行器的滚转运动的设想。风洞和飞行试验研究结果表明：对于80°/48°双三角翼,0.8c特征截面滚转力矩系数C_lsec与模型滚转力矩存在相关性;在飞行器进行大迎角平飞动作时,非指令滚转运动下的滚转力矩系数C_lsec大幅增加;C_lsec能够比惯性传感器提前预测模型的滚转运动趋势,可为飞行器大迎角状态的非指令运动抑制提供一定数据依据。     

俯仰—滚摆耦合复杂流场试验研究

给出 8 0°三角翼模型在低速风洞中实施俯仰 滚摆耦合大幅度振动的复杂流场测量结果 ,包括静态和动态、单自由度俯仰和滚摆、俯仰 滚摆耦合运动条件下的流动显示结果和强迫俯仰、自由滚摆条件下的滚转角时间历程测量结果。分析了耦合运动对前缘分离涡和气动特性的影响 ,以及不同相位角和不同频率对耦合气动特性的影响。结果表明 ,双自由度的耦合运动比单自由度运动具有更为明显的动态迟滞特性 ,进一步推迟分离涡的破碎 ,推迟开始滚摆的攻角αwr。