基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

气动推力矢量无舵面飞翼的飞行实验

为实现对无舵面飞翼姿态的控制，针对基本型旁路式双喉道气动推力矢量喷管提出了“单发倒Ⅴ双喷管”布局。随后对该布局的喷管进行测力实验，并且最终将其安装在飞行器上进行了成功试飞，并对采集到的飞行数据进行了分析。结果表明:喷管矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化，且无滞回性；安装该布局喷管的飞行器可以不通过舵面控制，仅仅依靠旁路式双喉道气动推力矢量喷管即可有效地控制飞行器姿态；对于所研究的飞行器，在滚转机动性方面，矢量控制与舵面控制效果相近，而对于俯仰机动性，矢量控制效果较弱；后续如果使用该布局喷管控制飞行器姿态时，应当增大两个喷管之间的夹角，将更适用于飞翼布局飞行器的操纵。      

基于热/力试验的折叠舵连接刚度与颤振分析

为了适装新型发射平台和进一步提高射程能力,高速飞行器需要采用折叠翼/舵的方案。高速飞行器面临的严酷高温环境和时变气动载荷条件,使折叠舵的结构动力学特性更加复杂,给开展折叠舵极端条件下热气动弹性特性的准确分析带来严峻挑战。本文构建了综合考虑温度、载荷、机构间隙和摩擦特性等因素的折叠机构力学模型,通过非线性有限元分析获得了不同因素影响下的连接刚度,并开展常温和高温试验验证研究。基于固有模态对结构进行降维简化,基于修正的三阶活塞理论建立了气动力模型,采用准定常模型对特定飞行剖面的颤振特性进行评估。基于Abaqus结构模型和STAR-CCM+气动模型,开展了时域响应分析。结果表明：常温和高温条件下,折叠机构转动刚度的计算结果与试验结果整体相对误差小于10%,具有较好的一致性,验证了模型的准确性和可用性;采用CFD与CSD耦合计算方法获得的临界颤振速度低于采用修正的三阶活塞理论结果,CFD/CSD耦合计算方法更加保守。本文建立的方法可为飞行器舵面颤振特性进行有效预示,对新型高速飞行器设计具有重要指导作用。     

含间隙折叠舵面的主共振响应分析

研究了含间隙折叠舵面的主共振响应.建立具有沉浮和俯仰间隙的二元舵面振动微分方程,两个运动方向受到同频简谐外激力.采用平均法求解系统的主共振周期解,结合数值法对方程组进行数值求解,研究系统主共振,得到振动幅频响应曲线.分析间隙、外激力、固定预载对于折叠舵面主共振的影响,结果表明：随着间隙增大,主共振响应曲线整体向左移动,非线性特点越来越突出,开始出现振幅跳跃和滞后现象;随着外激力增大,间隙范围内响应所占比例降低,非线性的影响也随之降低,系统振动特点接近线性;随着固定预载增大,共振形态变化较大.     

基于MEMS IMU的舵面运动测量仪

针对飞行器升降舵、副翼角运动的测试需求,提出了单轴捷联姿态系统的原理及算法,介绍了基于MEMS陀螺仪和加速度计的舵面运动测量仪的构成,并对测量仪的工作过程进行了仿真.仿真表明,测量仪的性能满足舵面运动测量的需要.     

轴承支撑的舵面热模态试验及支撑刚度辨识

对在大气层内及临近空间内长时间飞行的高超声速飞行器，其舵面的模态特性比固支的翼面更加复杂，除了与舵面自身的弹性模量及内部热应力有关外，还受到根部支撑刚度的较大影响，并且支撑刚度还将受到温度的影响。以轴承机构支撑的舵面为对象，考虑温度对支撑刚度的影响，建立了非固支的全动舵面支撑边界条件。通过设计舵面受热相同、支撑部位受热不同的加热工况，辨识出了连接面两侧温升对舵面支撑刚度的线性影响规律，并验证了辨识结果的有效性。结果表明：在舵面受热相同情况下，降低支撑部位的温升，可以有效减少舵面模态频率受气动加热的影响。研究结果可供安装此类舵面的飞行器防热设计参考。     

气动舵面/RCS复合控制系统构型设计与仿真

针对空天飞行器再入段异构执行机构复合控制问题,基于气动舵面和反作用推力器的特性,提出了适用于空天飞行器的3种气动舵面与反作用控制系统的复合控制构型：指令型、力矩型、指令误差型,以及相应的控制律设计方法,在此基础上完成空天飞行器再入段的控制系统设计。仿真结果表明,3种构型的复合控制系统均能满足指令跟踪性能要求,其中指令型复合控制系统气动舵工作最为平稳,推力器开启频次最少。从工程应用的角度出发,指令型复合控制系统的综合性能最为理想。     

飞机活动舵面间隙测量及数据分析

根据某型飞机全机主操纵系统疲劳试验及与机体疲劳同试的要求,对飞机副翼及平尾活动舵面间隙进行了测量和数据分析;同时,结合外场飞机实际情况,给出了飞机活动舵面间隙的控制值及相关的飞机助力器后操纵系统检查要求;另外,提出了对飞机活动舵面间隙进行定量检查和控制的建议,有助于完善外场飞机及主操纵系统的定检、维护、检修或大修,从而能够进一步保障飞机的飞行品质。     

舵面矢量喷流对现代战斗机气动特性的影响

在双三角翼、椭圆机身的先进战斗机气动布局中配置舵面矢量推力装置,系统研究了该舵面矢量推力装置引起的纵向矢量喷流和横向矢量喷流对机翼绕流及其气动特性的影响,同时还研究了舵面矢量喷流的落压比NPR、舵面的纵向和横向偏角D_p、D_y以及纵向舵面的宽度W_ｐ和舵面的配置等因素对喷流干扰效应的影响。     

短距起飞垂直着陆推力矢量无人飞行器减速过渡控制律设计

为实现短距起飞垂直着陆(STOVL)无人飞行器在推力矢量控制下的减速过渡,研究减速过渡阶段的控制律综合设计方法.首先通过分析STOVL无人飞行器减速过渡性能,对减速过渡推力矢量控制方案进行了评估;然后采用隐式动态逆方法设计导引律,为STOVL无人飞行器按预设任务减速过渡提供可达的控制指令;最后采用改进的特征结构配置方法进行内环控制律设计,跟踪导引指令并保持姿态稳定,伴随动压降低加入姿态喷管控制,辅助气动舵面稳定姿态.由全量六自由度飞行仿真结果表明:当减速过渡速度低于最小平飞速度以后,STOVL无人飞行器依然保持良好的航迹跟踪和姿态稳定.该方法完全采用直接配置法,有利于随控布局总体方案的快速评估.      

FL-2风洞三维舵面铰链力矩实验研究

飞行器舵面铰链力矩测量风洞实验一般都采用应变片天平测量。由于诸多条件所限，比如天平刚度问题，舵面缝隙引起的上下窜流，铰链力矩测量实验技术一直是风洞实验中的难点。特别是现代飞机舵面越来越薄，这样，为了尽可能地真实模拟飞机外形，减少对翼面和舵面外形的破坏，留给天平的空间尺寸就很有限，天平尺寸更有限，必导致天平刚度较弱，在气动载荷作用下，天平弹性变形较大，给实验结果带来误差。所以如何保证铰链力矩实验结果的准确可靠，减少误差，一直是铰链力矩实验的难点。为确保实验结果的可靠性，本次实验采用单分量轴式天平和三分量舌片式天平相结合共同测量。这样，两者实验结果互相比较验证，可分析出实验结果的精准度。     

基于风洞虚飞实验的双向飞翼纵向控制研究

双向飞翼飞行器作为针对空天飞行器宽速域飞行要求所提出的新概念飞行器,其独特的几何外形和模态转换方式为解决宽速域高升阻比设计矛盾提供了新的研究思路。首先,设计了一种双向飞翼飞行器,并开展风洞静态测力实验和虚飞实验,通过实验发现此类飞行器纵向静不稳定裕度过大,而纵向控制舵面不能提供足够的纵向控制能力,从而导致飞行器的纵向可控姿态角处于一个偏小的范围内。针对该问题,采用舵面吹气主动流动控制技术分别对低速及高速两个模态下纵向姿态的控制效能进行研究。研究结果表明,舵面吹气控制能有效提高两个模态下升降舵对纵向姿态的控制效能,同时提高纵向姿态角可控范围。     

微小型螺旋桨滑流内舵面操纵特性实验研究

微小型垂直起降飞行器悬停时往往采用螺旋桨滑流内舵面偏转进行姿态控制,但容易出现操纵力矩不足的问题。本文针对这一问题对微小型静推力状态螺旋桨与带舵面机翼的组合体进行了系统性的实验。通过对实验数据分析,本文指出通过优选螺旋桨几何参数可以改善操纵特性,并得出带舵面机翼不同构型对操纵特性影响的一系列结论,为如何改善此类飞行器悬停时的操纵特性提供了设计参考。     

基于主动流动控制技术的无舵面飞翼布局飞行器姿态控制

飞翼布局飞行器因其升阻比高、隐身性能好等诸多优势得到越来越广泛的应用，但是操纵舵面偏转会增加飞行器的雷达散射截面积。提出了采用射流环量控制和反向射流两种主动流动控制技术实现飞行器的无舵面飞行姿态控制。利用风洞测力试验对射流环量控制和反向射流的"舵效"进行了分析，结果表明环量控制技术能产生规律变化且可控的滚转和俯仰力矩、反向射流产生的偏航力矩随控制信号规律变化。飞行试验记录了飞行器姿态随射流激励器控制信号的变化规律，飞行数据表明俯仰环量控制激励器能有效地控制无人机的俯仰运动；无人机的横航向操纵存在耦合，但滚转环量控制激励器和反向射流能控制无人机的滚转和偏航运动。     

基于等离子体激励的飞翼布局飞行器气动力矩控制

以飞翼布局飞行器所面临的飞行控制问题为背景,采用气动力测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,在来流风速为8.2 m/s时,研究了介质阻挡放电等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的作用.研究结果表明:在飞行器不同位置布置不同的激励器,可以实现对飞行器滚转、偏航及俯仰力矩的控制;改变激励电压,实现了对气动力矩的比例控制;通过与常规舵面的舵效进行比较,采用等离子体激励器获得的气动力矩控制,可以达到常规舵面一定偏转角度的控制效果.流场测量结果表明:等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的控制,主要是通过控制流动分离和前缘涡破碎点位置的变化来实现的.因此,可以考虑应用等离子体流动控制技术来增强传统的舵面控制,并在提高控制效率的基础上,使其成为一种新型的飞行控制方式.     

采用不同气动控制舵面的临近空间高超声速滑翔飞行器舵效研究

在升力体构形的基础上,构造了3种不同布局方式的气动舵作为控制面,通过数值模拟手段对FLAP舵、后缘舵及全动舵的舵效进行了比较分析,并对带全动舵滑翔飞行器的气动特性进行了风洞试验研究。数据显示全动舵在纵向通道内调节压心位置的能力较大,有足够的配平能力,在偏航及滚转控制时舵效均高于FLAP舵及后缘舵,同时可有效降低对舵机载荷的要求。研究表明对于升力体构形的飞行器而言,全动舵在临近空间高超声速范围内作为气动控制舵面具有一定优势。     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题，提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性，建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型；设计混合多目标优化性能指标评价函数，有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性，并减少舵面耗能；采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵，提高控制面操纵效率，加快优化搜索速度，快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配，保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时，通过多目标控制分配策略，飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器，降低系统设计难度，提高安全性。     

基于非线性控制分配的飞翼航向控制方法

研究了某无尾飞翼式布局飞行器采用升降副翼实现航向控制的操纵机理,分析了舵面的三轴耦合特性,提出基于非线性可达转矩集的飞行器操纵能力描述。在此基础上,对飞行控制系统进行模块化设计,利用经典控制方法设计出产生整个控制指令的基本控制律,然后利用基于微分进化算法的非线性控制分配器将整个控制指令合理地分配到各个舵面上,实现航向上的稳定与控制,仿真结果证实了该方案的有效性。     

飞行控制系统舵面效率损失率估算方法研究

以某型飞机为研究对象，论述了一种基于模型的自修复飞行控制系统舵面效率损失率的估算方法。首次提出了采用多传感器信息融合来估算舵面效率损失率。因为舵面损伤故障采用全局滤波法检测，没有可直接测量其损伤程度的传感器，所以需要从飞控系统中多个传感器的测量信号综合判决来估算舵面损伤情况。最后，对所设计的舵面效率损失率的估算方法进行了数字仿真研究。仿真结果验证了该方法具有较高的准确性和实时性，为飞行控制系统舵面效率损失率的估算提供了一种有效的方法。     

高超声速安定面／舵面干扰特性研究

为了改善高超声速乘波体飞行器的稳定性及操作性,针对安定面／舵面组合体的绕流特性进行研究。通过数值求解RANS方程,对Ma=6时安定面／全动舵组合体关键参数对舵效的影响规律进行研究,并对流动机理进行分析。计算结果表明,安定面与全动舵间水平距离、垂直距离是影响舵效的关键参数。分析干扰流场可知,全动舵主要受到安定面尾迹、激波系及翼尖涡的干扰。其中,安定面尾迹对舵面干扰最大,故全动舵应尽量避开安定面尾迹。