一种分析弹性飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法

 本文应用非定常气动力理论计算了刚体运动与弹性运动耦合的飞机运动方程中的非定常气动力及广义气动力导数,给出一种分析飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法。     

分析、综合弹性飞机动态特性的一种建议性途径

本文提出了考虑在非定常气动力作用下;分析、综合弹性飞机小扰动运动特性的一种建议性办法——频率法的推广应用。它直接将谐振运动的非定常气动力数据引入运动方程中,通过作特征方程关系式(指特征方程对应的代数关系)所对应的频率曲线,利用复变函数的知识和特征方程关系式是复变量的解析可微函数条件,并运用作图与曲线拟合相结合的手段从而求得给定状态下弹性飞机运动方程中所需特征根和特征向量,这不仅获得了该状态下弹性飞机的实际运动特性,同时也给出了一些综合、设计的信息。与现行其他方法比较,本文提出的方法,对于研究弹性飞机的动态特性具有分析、计算较为简洁系统,综合设计较为直观方便的特点。     

非定常气动力对飞机飞行影响的拓扑分析

 根据飞机六自由度运动模型和微分非定常气动力模型, 计算了周期轨道及平衡运动的拓扑结构图,初步研究了非定常气动力对飞机飞行的全局影响, 并通过系统的导算子矩阵根轨迹、时域仿真及其灵敏度分析, 提炼出非定常气动力对飞机飞行影响的初步机理。结果表明, 非定常气动力对飞机平衡运动的振荡不稳影响明显, 可以改变其稳定特性, 延迟Ho pf 分叉的出现。对于稳定的周期运动, 由于增加了系统的阻尼耗散项从而减少了振荡幅度。     

耦合运动非定常气动模型对飞机飞行特性仿真的影响

 在大振幅偏航滚转单自由度强迫振荡和耦合强迫振荡运动风洞试验的基础上,分别运用准定常气动力建模方法和非定常气动力建模方法,获取飞机的气动力模型;运用两种不同的气动力模型,对飞机的纵向正弦振荡机动飞行进行了仿真。结果表明,准定常模型在小迎角下的仿真结果与非定常模型的结果基本一致;在较大迎角时,准定常模型仿真结果趋于稳定,而非定常模型仿真结果使飞机进入横航向振荡飞行状态,这一现象与F-16XL的试飞结果类似,其主要原因是耦合运动的非定常模型与准定常模型所产生的阻尼特性不一致。这也表明,分析大迎角飞行特性时应考虑耦合运动下的非定常气动特性。     

基于大振幅谐波运动的非定常气动模型风洞实验验证

利用大振幅动态实验装置,完成了某飞机在给定支撑角下的单独滚转大振幅谐波振荡实验;基于所获得的实验数据,应用模糊逻辑建模方法建立了单独滚转运动的非定常气动力模型;应用等效缩减频率计算方法,计算了飞机模型按锯齿波运动时等效缩减频率的变化,并带入非定常气动力模型中进行仿真计算;最后与实验测量获得的锯齿波运动气动力数据进行了比较。研究结果表明,仿真计算结果与实验测量结果符合较好,反映出用大振幅谐波振荡实验数据建立的滚转运动非定常气动力模型能很好地反映模型的滚转运动非定常气动特性。     

在大气紊流中飞行的弹性飞行器动力学模型

本文以大展弦比、后掠翼飞机和轴对称导弹为例,分别建立了弹性飞机和细长体弹性飞行器在大气紊流中飞行时的动力学模型。该模型考虑了非定常气动力的影响以及刚性运动和弹性变形模态之间的气动耦合作用,并给出了其状态空间方程的标准形式。     

非定常自由来流对飞机过失速机动特性的影响研究

在南航非定常风洞内,对三角翼模型在定常和非定常自由来流中做俯仰运动的动态气动特性进行了实验研究.利用模糊逻辑建模方法,对实验获得的非定常气动力数据进行了建模,并将非定常气动力模型应用于过失速机动中70°迎角定直飞行的仿真计算,分析了含自由来流非定常变化影响的非定常气动力数据对过失速机动飞行特性产生的影响.研究表明,考虑自由来流非定常变化的非定常气动力对飞机飞行过程中运动参数的变化和控制律设计都产生较大影响.因此在新一代战斗机的设计、研制中,深入研究飞机的非定常气动特性是十分必要的.     

飞机大攻角非定常气动力建模与辨识

采用一阶微分方程描述由非线性非定常效应引起的气动力增量 ,从而建立了一种新的飞机大攻角非定常气动力数学模型。研究了模型在缓变运动下的线化形式和动导数表达式。讨论了模型参数的辨识问题。算例证实了所建立的气动力数学模型的正确性和所述模型参数辨识方法的有效性     

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

弹性飞机尾涡遭遇动响应分析方法

根据库塔-儒可夫斯基定理求解得到飞机产生的尾涡强度,并基于离散阵风非定常气动力计算思路,发展了尾涡非定常气动力计算方法。通过频域求得弹性飞机动响应,再利用傅里叶反变换求得时域动响应。分析了某型飞机垂直穿越尾涡时的机体动响应,尾涡引起的弹性过载最大可达到1.3,在该类飞机的设计过程中需要考虑尾涡引起的动载荷对机体强度安全性的影响。     

弹性飞行器非定常气动力的递推识别

本文提出了一种识别弹性飞行器非定常气动力的滤波递推方法。该法由飞行试验数据识别出各气动指示函数的时域离散值,若经适当拟合处理,可为弹性飞行器动态分析提供较为理想的非定常气动模态。对某飞行器进行初步试算的结果表明,该方法所需数据易于采集,计算不十分繁杂,所得结果较好。     

Aeroelastic response of a 2-D airfoil in a compressible flow field and exposed to blast loading

This paper deals with the generation and use of proper aerodynamic indicial functions toward the aeroelastic formulation of two-dimensional lifting surfaces in the subsonic compressible, linearized transonic, supersonic and hypersonic flight speed regimes. The indicial function approach enables one to treat in an unified way (i.e. in the time and frequency domains) the subcritical aeroelastic response and the flutter instability of lifting surfaces. Validations of the aerodynamic model are documented and excellent agreements are reported. In addition, closed form solutions and aerodynamic derivatives for different flight speed regimes are obtained; comparisons, and results displaying the aeroelastic response to blast loads are presented, and pertinent conclusions are outlined.     

飞机大迎角非定常气动力建模研究进展

准确建立非定常气动力数学模型,是飞机大迎角飞行控制律设计、飞行动力学分析和飞行仿真的基础与前提。鉴于此,对大迎角非定常气动力建模研究进展,包括数学建模方法和人工智能建模方法两类进行了系统综述。其中：数学类建模方法是以对非定常流动现象和机理认识为基础的,主要有气动导数模型、非线性阶跃响应模型、状态空间模型、微分方程模型、非线性阶跃响应与状态空间混合模型以及迎角速率模型等;人工智能方法回避了复杂流动机理,属于黑箱非线性系统建模,主要有神经网络模型、模糊逻辑模型和支持向量机模型等。对于每种气动力模型,阐述了其建模思路和方法,给出了典型应用情况,并对其特点和局限性作了简要评述。最后,指出了当前大迎角非定常气动力建模研究工作存在的问题和未来研究方向。     

计算振动翼面非定常气动力的Fourier级数展开法

将翼面绕基准状态作任意形态的振动,用Ｆｏｕｒｉｅｒ级数展为ｎ个不同振幅、不同频率的谐波;用Ｇｒｅｅｎ函数法计算每个谐波引起的非定常气动力;然后在时域中将它们叠加,即可求得该翼面在时域中以给定的波形作振动时的非定常气动力。重点讨论了翼面作接近方波形振动时的非定常气动力。算例表明,该方法所得结果与其他方法及实验结果吻合。     

Extension of analytical indicial aerodynamics to generic trapezoidal wings in subsonic flow

Analytical indicial aerodynamic functions are calculated for several trapezoidal wings in subsonic flow, with a Mach number 0.3 Ma 0.7. The formulation herein proposed extends wellknown aerodynamic theories, which are limited to thin aerofoils in incompressible flow, to generic trapezoidal wing planforms. Firstly, a thorough study is executed to assess the accuracy and limitation of analytical predictions, using unsteady results from two state-of-the-art computational fluid dynamics solvers as cross-validated benchmarks. Indicial functions are calculated for a step change in the angle of attack and for a sharp-edge gust, each for four wing configurations and three Mach numbers. Then, analytical and computational indicial responses are used to predict dynamic derivatives and the maximum lift coefficient following an encounter with a one-minus-cosine gust. It is found that the analytical results are in excellent agreement with the computational results for all test cases. In particular, the deviation of the analytical results from the computational results is within the scatter or uncertainty in the data arising from using two computational fluid dynamics solvers. This indicates the usefulness of the developed analytical theories.     

运动突风作用下机翼-机身-尾翼亚音速非定常气动力数值计算

 本文研究了亚音速机翼-机身-尾翼复杂平面形状在运动突风作用下非定常气动特性。采用有限基本解法,在不同入射方向和倾斜角下,对不同复杂平面形状的非定常气动力进行了计算,计算结果与实验数据也较接近。     

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。     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

共性半环翼跨介质航行器变体气动特性研究

基于一种特殊的双层半环形闭合翼构型,利用流体仿真软件对该构型跨越水空介质后变体过程中的不同状态进行了仿真,并对其非定常气动特性进行了分析;比较了特定条件下非定常状态和定常状态的气动参数随折叠角的变化曲线,得到了机翼展开和回收至不同角度的压力和速度分布云图以及对应位置的压力分布曲线;研究了不同变体速率对机翼变体的非定常气动特性的影响,并提出了附加动力学影响、流场迟滞影响等物理效应来解释该构型的非定常气动特性的形成原理。仿真结果表明,机翼回收过程的气动参数大于定常状态,展开过程气动参数小于定常状态,变体速率越大,非定常效应越明显,产生这种差异的原因是来自于流场迟滞的影响。     

Aeroservoelastic modeling and analysis of a canard-configured air-breathing hypersonic vehicles

Air-breathing hypersonic vehicles (HSVs) are typically characterized by interactions of elasticity, propulsion and rigid-body flight dynamics, which may result in intractable aeroservoelastic problem. When canard is added, this problem would be even intensified by the introduction of low-frequency canard pivot mode. This paper concerns how the aeroservoelastic stability of a canard-configured HSV is affected by the pivot stiffnesses of all-moveable horizontal tail (HT) and canard. A wing/pivot system model is developed by considering the pivot torsional flexibility, fuselage vibration, and control input. The governing equations of the aeroservoelastic system are established by combining the equations of rigid-body motion, elastic fuselage model, wing/pivot system models and actuator dynamics. An unsteady aerodynamic model is developed by steady Shock-Expansion theory with an unsteady correction using local piston theory. A baseline controller is given to provide approximate inflight characteristics of rigid-body modes. The vehicle is trimmed for equilibrium state, around which the linearized equations are derived for stability analysis. A comparative study of damping ratios, closed-loop poles and responses are conducted with varying controller gains and pivot stiffnesses. Available bandwidth for control design is discussed and feasible region for pivot stiffnesses of HT and canard is given.