倾转机翼无人倾转旋翼机飞行动力学稳定性分析

为了研究倾转机翼无人倾转旋翼机的稳定性,发展了一种倾转机翼无人倾转旋翼机飞行力学模型,并开展了仿真研究。旋翼气动模型采用动量-叶素理论,机翼、尾翼和机身的气动模型在升力线气动理论的基础上结合了旋翼动量源方法以计入旋翼尾流的气动干扰影响。在全机飞行力学模型配平的基础上开展了动力学稳定性分析,并与常规倾转旋翼机飞行动力学特性进行了对比分析。研究结果表明:倾转机翼无人倾转旋翼机在悬停状态下,表现出俯仰角衰减迅速的稳定模态;在直升机模式小速度前飞时,改变重心位置及机翼倾转段面积可使机体纵向振荡模态发散速度减缓,系统稳定性增强。     

倾转机翼无人倾转旋翼机飞行动力学稳定性分析

为了研究倾转机翼无人倾转旋翼机的稳定性,发展了一种倾转机翼无人倾转旋翼机飞行力学模型,并开展了仿真研究。旋翼气动模型采用动量-叶素理论,机翼、尾翼和机身的气动模型在升力线气动理论的基础上结合了旋翼动量源方法以计入旋翼尾流的气动干扰影响。在全机飞行力学模型配平的基础上开展了动力学稳定性分析,并与常规倾转旋翼机飞行动力学特性进行了对比分析。研究结果表明：倾转机翼无人倾转旋翼机在悬停状态下,表现出俯仰角衰减迅速的稳定模态;在直升机模式小速度前飞时,改变重心位置及机翼倾转段面积可使机体纵向震荡模态发散速度减缓,系统稳定性增强。     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

倾转旋翼机连续倾转过渡状态数值模拟

倾转旋翼机在倾转过渡过程中气动构型不断变化,气动特性具有强非线性的特点。针对倾转旋翼机复杂的连续倾转过渡状态,基于运动嵌套网格和局部坐标系理论建立一套适合于模拟倾转旋翼机连续倾转过渡状态的网格系统,并采用 RANS 方程建立适合于强非线性气动特性的非定常流场分析的 CFD 方法;采用该方法模拟某型倾转旋翼机从直升机模式到固定翼模式的连续倾转过渡状态的气动特性。结果表明：对于不同的倾转过渡时间,旋翼和机体气动特性随旋翼倾转角增加变化趋势基本一致;随着旋翼倾转角增加,机体升力系数先增大后减小,在旋翼倾转角 40°附近达到最大,相比初始状态及平飞状态增大约 30%;随着旋翼倾转角、总距角及前飞速度线性增大,旋翼拉力系数及其垂向分量逐渐减小;旋翼倾转角和前飞速度线性增大,采用合适的总距角非线性变化曲线,倾转旋翼机总升力可以保持在目标值附近。     

变直径倾转旋翼机设计重心包线研究

倾转旋翼机具有直升机垂直起降和固定翼高速前飞的特点，而变直径倾转旋翼机可以同时满足其悬停和巡航状态对旋翼的设计要求。基于飞行动力学模型，提出一种倾转旋翼机重心极限及设计重心包线计算方法。以XV-15进行方法验证，分析了旋翼变直径对全机重心包线的影响。结果表明，大直径有利于扩大直升机模式和过渡状态的重心包线，而直径变化对固定翼飞机模式重心包线无影响。     

倾转旋翼机回转颤振研究

建立倾转旋翼机飞机模式的分析模型,分析系统的频率和阻尼特性,揭示了对系统稳定性起主要作用的一些模态;分析了旋翼摆振运动、机翼气动力和自转状态假设对系统稳定性的影响;分析了系统一些重要参数,如桨叶固有频率和机翼固有频率,对系统回转颤振稳定性的影响。分析结果表明:本文建立的模型可以有效地分析倾转旋翼机的回转颤振特性。     

基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。     

基于优化算法的倾转旋翼准定常气动模型

取消了传统直升机旋翼准定常气动模型中对飞行工况和桨叶形状的诸多假设和限制,建立了适合倾转旋翼特殊桨叶形状、桨毂构造以及飞行工况的准定常气动模型.桨叶气动载荷计算基于叶素理论进行数值积分,旋翼挥舞系数通过序列二次规划算法(SQP)进行数值优化求解,诱导速度分布采用Pitt-Peters动态入流模型的稳态形式.利用该方法计算了XV-15倾转旋翼机的旋翼在不同工况下的气动性能以及挥舞系数.计算结果与风洞实验数据吻合良好,误差在8%以内且计算效率高,单一工况求解耗时在5min以内,该方法可用于倾转旋翼机总体设计阶段的性能分析或建立其飞行动力学模型.      

倾转旋翼机悬停建模与实验

以自行设计的倾转旋翼机为研究对象,建立悬停模式下纵向动力学模型。通过悬停实验,对倾转旋翼机的分系统——舵机模型、旋翼气动力模型和悬停纵向模型进行了仿真验证。结果表明,模型能反映倾转旋翼机悬停模式的基本特性,可为飞行控制系统设计提供依据。     

基于数值延拓算法的倾转旋翼机配平及稳定性分析

考虑旋翼尾流对机翼、平尾和垂尾的气动干扰,建立了倾转旋翼机非线性飞行动力模型。以XV 15为例,通过简化悬停模型,计算得到悬停的配平解,在此基础上,分别以前飞速度和短舱转角为延拓参数,数值延拓完成直升机模式、过渡模式和飞机模式在不同飞行速度下的配平。并在此基础上对倾转旋翼机进行稳定性分析。计算结果表明:应用数值延拓算法进行配平可以不受初值限制计算得到真实解;数值延拓算法具有全面性,可计算全短舱转角-速度包线内的平衡值。      

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

倾转旋翼典型飞行状态气动特性的CFD分析

针对倾转旋翼特有的悬停、巡航、过渡3种飞行模式,基于CFD方法分别对倾转旋翼的上述3种典型飞行状态进行了数值模拟.首先,基于运动嵌套网格思想建立了适合倾转旋翼运动模拟的多层运动嵌套网格系统.然后,基于RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)方程建立了适用于非定常流场分析的CFD模拟方法.为了提高整个流场的计算效率,时间推进采用高效的隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss Seidel)方法,并运用SPMD(single program multiple data)并行计算模式.最后,采用所建立的网格生成方法和流场求解器,进行了不同飞行状态下的倾转旋翼气动特性数值分析,验证了建立CFD方法的有效性并得出了多种飞行状态下的气动特性.结果表明:悬停状态下倾转旋翼相对于直升机旋翼有更加明显的下洗流影响区域.巡航状态两旋翼中心间距为2.5R时,倾转旋翼之间存在明显的气动干扰.过渡状态下,倾转旋翼提供的拉力在倾转角为45°前下降较快,且在倾转角较小时,倾转旋翼桨叶表面拉力分布仍能表现出直升机旋翼的特性.      

直升机抛射物体平衡及稳定性分析

基于部件级建模理论建立了建立直升机-外挂装置系统六自由度飞行动力学模型。对所建模型进行了配平计算，与参考数据进行了对比。计算分析了不同速度下采用不同方式抛射物体时直升机的稳定性。结果表明，单侧抛射由于反冲力不对称，抛射物体对于直升机的滚转角和横向周期变距有显著的影响；随飞行速度增大，抛射物体对于直升机横向荷兰滚模态稳定性影响增大，当前飞速度达到50m/s以上时，荷兰滚模态演变为两个发散的非周期模态，稳定性明显变差，直升机应在较低速度下抛射物体。      

Augmented flight dynamics model for pilot workload evaluation in tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure

An augmented flight dynamics model is developed to extend the existing flight dynamics model of tilt-rotor aircraft for optimal landing procedure analysis in the event of one engine failure.Compared with the existing flight dynamics model, the augmented model involves with more pilot control information in cockpit and is validated against the flight test data. Based on the augmented flight dynamics model, the optimal landing procedure of XV-15 tilt-rotor aircraft after one engine failure is formulated into a Nonlinear Optimal Control Problem(NOCP), solved by collocation and numerical optimization method. The time histories of pilot controls in cockpit during the optimal landing procedure are obtained for the evaluation of pilot workload. An evaluation method which can synthetically quantify the pilot workload in time and frequency domains is proposed with metrics of aggressiveness and cutoff frequencies of pilot controls. The scale of the pilot workload is compared with those of the shipboard landing procedures, bob-up/bob-down and dash/quickstop maneuvers of UH-60 helicopter. The results show that the aggressiveness of pilot collective and longitudinal controls for the tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure are higher than those for UH-60 helicopter shipboard landing procedures up to the condition of sea state 4, while the pilot cutoff frequency of collective control is lower than that of the bob-up/bob-down maneuver but the pilot cutoff frequency of longitudinal control is higher than that of the dash/quick-stop maneuver. The evaluated pilot workload level is between Cooper–Harper HQR Level 2 and Level 3.     

倾转旋翼机传动系统动态效率研究

根据倾转旋翼机发动机短舱内的传动系统结构,建立了其弯-扭耦合动力学模型和相应的动力学方程.求解动力学方程得到了三种飞行状态下的动态响应,根据动态响应计算了齿轮齿面上的动载荷和各部件的横向动载荷.基于动载荷,提出了齿面动态摩擦损失功率和轴承动态损失功率的计算方法,以及倾转旋翼机传动系统动态效率的计算方法.计算了在三种飞行状态下传动系统的动态效率,分析了三种飞行状态下参数对传动系统动态效率的影响,为高效率倾转旋翼机传动系统的设计奠定了基础.      

新型倾转旋翼机气动弹性稳定性分析模型

针对新型半铰接式、摆振柔软的倾转旋翼机,建立了旋翼/动力舱/机翼气动弹性稳定性分析模型,并导出了系统的动力学方程。分析模型采用了当量铰、弹性约束的刚性桨叶和弹性机翼假设,采用Pitt-Peters动力入流模型计入了非定常气动力的影响。所建模型为进行新型倾转旋翼机大速度飞行时气弹稳定性分析奠定了基础。     

直升机吊挂飞行平衡、稳定性与操纵性研究

建立带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中吊挂载荷为单点悬挂在直升机机身底部的六自由度模型,并计入了吊挂模型的气动阻力.对所建立模型进行配平,并将结果与参考数据对比.通过仿真计算分析了直升机吊挂前飞状态下的稳定性,此外,分析了在吊挂相关参数改变时直升机稳定性的相应变化,最后,分析了当施加纵向周期变距阶跃输入、横向周期变距阶跃输入以及尾桨距阶跃输入时带吊挂直升机的动力学响应历程.      

倾转旋翼气动优化设计

倾转旋翼的气动外形设计需要对其在直升机模式和飞机模式下的不同要求进行综合考虑,对其气动外形相关参数进行优化以使倾转旋翼同时具有较高的悬停效率和巡航效率。本文基于自由尾迹分析方法建立了倾转旋翼的气动特性分析模型,以悬停和巡航效率为目标函数,以桨叶弦长分布、预扭角分布、厚度分布及翼型分布位置和旋翼转速为设计变量,以旋翼功率和桨叶重量为约束,提出了倾转旋翼气动多目标协同优化策略,对桨叶气动外形进行了优化设计,优化后的旋翼具有更优的气动性能,表明所提出的优化方法是可行的。     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。      

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.