小型复合式共轴无人直升机动力学模型研究

以加装尾推的小型复合式共轴无人直升机为研究对象,重点研究直升机在一定的前飞速度下俯仰角的变化情况。首先建立了直升机气动模型,得到前飞时的平衡方程组,并使用Newton法对方程组进行求解,从而得到仿真配平结果;其次对样例直升机未加装尾推螺旋桨和加装尾推螺旋桨情况下进行一定速度下的前飞试验,采集试飞数据;最后对仿真结果和试验数据进行比较和分析。结果表明:在较低速度时,直升机气动模型与实际结果符合性较好,加装尾推能够减小直升机稳定前飞时的俯仰角,同时还能降低双旋翼消耗的总功率。     

直升机起飞性能试飞方法研究

当直升机可用功率不足以维持地效外悬停时,直升机可以利用地面效应增速至一定前飞速度完成起飞。研究了地面效应和前飞速度对直升机剩余功率的影响,阐述了利用剩余功率进行有地效起飞的原理。介绍了3种有地效起飞方式,并使用水平加速—定速爬升法进行了起飞性能飞行试验,得到了水平越障距离随爬升速度的变化曲线,对飞行试验结果进行了分析,得到了有益的结论。     

旋翼气动特性分析及直升机配平计算

以UH-60A直升机为例,建立了适合用于准确细致地描述旋翼气动特性和直升机配平的旋翼气动模型。分别将动量理论模型和该旋翼气动模型代入直升机全机飞行动力学模型中，对算例直升机进行了配平，并与试飞数据和参考模型结果进行了对比，验证了该模型有效且精度更好。在此基础上，分析了不同前进比桨盘诱导速度、迎角和升阻比的分布。结果表明:随着前飞速度增加，诱导速度分布更加不对称，桨盘侧倾加剧；大速度前飞时后行桨叶气流分离区域变大，在反流区内外迎角分布将发生突变；由于空气压缩性和反流区作用，大速度前飞时前行桨叶桨尖处与反流区内升阻比较低。      

尾梁边条对直升机气动性能影响试验研究

为克服旋翼产生的反扭矩,目前直升机上主要采用单旋翼带尾桨、双旋翼等布局方案,同时发展了尾梁环量控制及尾梁边条技术。本文应用旋翼/机身组合模型风洞试验方法,探究了尾梁边条对直升机悬停及前飞性能的影响。重点研究了悬停及不同前飞速度下,不同长度和不同安装角度尾梁边条对直升机气动性能的影响。试验结果表明,悬停状态尾梁边条可通过提供侧向力来增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载从而减少尾桨功率消耗。而前飞状态尾梁边条对直升机气动性能基本没有影响。     

次级通道在线辨识的自适应结构响应主动控制研究

直升机结构响应自适应主动控制算法因其适应能力强、重量轻、频带范围宽,效率高且控制效果好在直升机振动抑制中得到广泛应用。从作动器控制输入到目标减振点响应输出之间的次级通道传递函数的辨识精度严重影响系统稳定性,在线辨识能够适应直升机飞行高度、速度、环境、温度及压力等的改变给次级通道带来的影响。通过3种次级通道在线辨识算法控制效果仿真对比,从抗干扰性和收敛速度的角度,分析了现有自适应滤波算法,为直升机减振主动控制算法的设计提供参考。     

前飞状态直升机旋翼/机体耦合空中共振机理研究

直升机在前飞状态下的稳定性研究比悬停时复杂得多.主要针对直升机前飞状态下的空中共振的稳定性加以研究.计算和分析了某些典型情况的特征值、特征向量和各自由度之间的相互作用.对前飞时的相关参数对直升机空中共振稳定性的影响等方面进行了研究.从分析各个自由度间的相互作用入手揭示直升机空中共振的机理.      

倾转四旋翼飞行器操纵策略及配平特性分析

针对倾转四旋翼飞行器机翼与旋翼气动干扰复杂的问题，建立了考虑干扰的倾转四旋翼飞行器飞行动力学模型，提出了倾转四旋翼飞行器在直升机与固定翼模式下的操纵策略，并利用数值仿真方法研究了不同模式下的配平特性。利用小扰动假设提取出直升机小速度前飞状态下的状态矩阵，分析不同前飞速度下的特征根变化趋势，并以典型速度下的配平状态矩阵与操纵矩阵分析了零输入响应与零状态响应特性。仿真结果表明，倾转四旋翼飞行器在小速度前飞状态下俯仰通道较为独立，滚转和偏航通道存在耦合。     

颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的试验

 为探索直升机减振技术的新方法,研究颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用,设计了直升机旋翼桨叶模型及其相应的颗粒阻尼器形式,利用试验方法研究了颗粒阻尼对非旋转及旋转桨叶模型的阻尼减振效果。试验结果表明：颗粒阻尼可以有效提高非旋转桨叶模型的前3阶阻尼水平,尤其可使桨叶第3阶模态阻尼比提高一个数量级甚至更多;在较低的转速范围内,颗粒阻尼还可以克服离心力作用,使旋转桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平均得到有效削减,充分表明了颗粒阻尼作为一种振动控制手段应用于直升机旋翼桨叶的可行性。     

智能旋翼基于陷波器的振动载荷抑制算法

智能旋翼为直升机减振降噪提供了一条极具发展前途的技术途径。本文研究了一种用于智能旋翼减振的连续时域控制算法,该控制算法主要由陷波器和通道增益两部分组成,对每一个控制反馈通道,将产生两路状态信号,系统减振效果取决于两个状态通道增益的比值。控制仿真结果显示,该控制算法具有出色的减振效果,并对随机噪声和谐波干扰信号都具有较强的抑制作用,为了抑制4Ω旋翼桨毂振动载荷,所需的后缘襟翼控制量是3Ω/4Ω/5Ω多谐波组合输入。相较于经典的离散频域高阶谐波控制算法,该算法是一种连续时域控制算法,可大幅加快控制系统的收敛速度,与此同时,在非平稳的直升机飞行状态下,也具有更佳的减振效果。     

直升机前飞空中共振稳定性和各自由度相互作用研究

直升机在前飞状态下的稳定性研究比悬停时复杂得多。主要针对直升机前飞状态下的空中共振的稳定性加以研究,建立了旋翼和机体的结构模型、气动力模型和平衡方程组;计算和分析了某些典型情况的特征值、特征向量和各自由度之间的相互作用。在方程组的周期系数处理以及前飞时的相关参数对直升机空中共振稳定性的影响等方面进行了研究。从分析各个自由度间的相互作用入手揭示了直升机空中共振的物理本质及影响因素。     

HELICOPTER VIBRATION REDUCTION TECHNIQUE WITH HARMONIC ACTIVE CONTROL

ＨＥＬＩＣＯＰＴＥＲＶＩＢＲＡＴＩＯＮＲＥＤＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＩＱＵＥＷＩＴＨＨＡＲＭＯＮＩＣＡＣＴＩＶＥＣＯＮＴＲＯＬＹａｎｇＹｉｄｏｎｇ；ＹｕａｎＳｕｏｚｋｏｎｇ；ＹｕａｎＷｅｉｄｏｎｇ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌ，Ｎａｎ...     

无人驾驶直升机发动机模糊自适应PID控制

针对某型无人驾驶直升机发动机控制的特点,提出恒量供油、恒速控制和总距前馈补偿控制的复合控制策略,在飞行控制计算机内建立发动机模糊自适应PID控制器,利用模糊规则和推理来在线调整PID参数,使发动机安全平滑启动,并在各种功率状态下保持输出轴转速恒定。经含实物仿真试验、地面试车、系留试验以及无人机整机试飞测试,所设计的发动机控制方案动态响应速度快,对总距变化等干扰的抑制作用强,能保证主旋翼在各种飞行状态下获得最佳的气动效率,改进无人直升机的飞行性能。      

Dynamic response analysis under atmospheric disturbances for helicopters based on elastic blades

A flight dynamics model based on elastic blades for helicopters is developed. Modal shape analysis is used to describe the rotating elastic blades for the purpose of reducing the elastic degrees of freedom for blades. The analytical result is employed to predict the rotor forces and moments. The equilibrium equation of the flight dynamics model is then constructed for the elastic motion for blades and the rigid motion for other parts. The nonlinear equation is further simplified, and the gradient descent algorithm is adopted to implement the trim simulation. The trim analysis shows that the effect of blade elasticity on the accuracy of rotor forces and moments is apparent at high speed, and the proposed method presents good accuracy for trim performance. The time-domain response is realized by a combination of the Newmark method and the adaptive Runge-Kutta method. The helicopter control responses of collective pitch show that the response accuracy of the model at a yaw-and-pitch attitude is improved. Finally, the influence of blade elasticity on the helicopter dynamic response in low-altitude wind shear is investigated. An increase in blade elastic-ity reduces the oscillation amplitude of the yaw angle and the vertical speed by more than 70%. Compared with a rigid blade, an elastic blade reduces the vibration frequency of the angular veloc-ity and results in a fast return of the helicopter to its stable flight.     

直升机机动飞行的逆模拟

本文给出了一种直升机机动飞行的逆模拟方法以计算跟随预定飞行轨迹的驾驶员操纵,根据这一方法可以确定为完成直升机机动飞行所需的驾驶员操纵输入及直长机的飞行速度、角速度和的变化历程。直同飞行动力学模型没有作任何线化假设,其中考虑了旋翼入流的时滞效应、前行桨叶的压缩性物后行桨叶的失速特性及旋翼桨叶的非定常挥舞运动,引入了旋翼尾迹对直升机机身、尾翼和尾桨的气动干扰。最后以黑鹰直升机为例计算了鱼跃越障机动飞行     

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

某旋翼液压阻尼器动密封故障分析与处理

旋翼液压阻尼器是直升机旋翼系统的关键元件,为旋翼桨叶摆振运动提供阻尼,防止直升机发生＂地面共振＂。某旋翼液压阻尼器在使用过程中多次出现液压油泄漏,导致阻尼值下降,甚至阻尼完全丧失,成为严重影响直升机安全的隐患。为此,通过对故障现象、原因的分析及故障定位,针对密封材料、密封结构等进行分析和充分的试验验证,制定了相应的技术与工作措施。这些措施经后续试飞验证取得了很好的实施效果。     

Experimental study on transfer functions of an active rotor under different flight conditions

Vibrations impose negative impacts on the effectiveness and public acceptance of helicopters. Active rotors with trailing-edge flaps have been proved to be an effective way to actively eliminate helicopter vibrations. For the existing control algorithm based on offline system identification, the transfer functions of an active rotor under different flight conditions are pre-requisites to implement closed-loop vibration control. In this study, a three-bladed active rotor with improved trailing-edge flaps is designed, and wind-tunnel tests are conducted to identify the transfer functions of this active rotor using frequency sweep and phase sweep methods. The experimental results demonstrate that these transfer functions are insensitive to the variation of flight speeds: the amplitude of the transfer function varies slightly, while the phase delay almost remains unchanged. In addition, this finding is validated through closed-loop vibration control tests with the active rotor. The transfer function obtained from the hover test results is also applicable to closed-loop vibration control tests under the forward flight conditions. This will dramatically simplify the implementation and operation of an active rotor.     

Investigation of rotor control system loads

This paper concentrates on the aeroelasticity analysis of rotor blade and rotor control systems. A new multi-body dynamics model is established to predict both rotor pitch link loads and swashplate servo loads. Two helicopter rotors of UH-60A and SA349/2, both operating in two critical flight conditions, high-speed flight and high-thrust flight, are studied. The analysis shows good agreements with the flight test data and the calculation results using CAMRAD II. The mechanisms of rotor control loads are then analyzed in details based on the present predictions and the flight test data. In high-speed conditions, the pitch link loads are dominated by the integral of blade pitching moments, which are generated by cyclic pitch control. In high-thrust conditions, the positive pitching loads in the advancing side are caused by high collective pitch angle, and dynamic stall in the retreating side excites high-frequency responses. The swashplate servo loads are predominated by the rotor pitch link loads, and the inertia of the swashplate has significant effects on high-frequency harmonics of the servo loads.     

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

直升机结构响应的多输入多输出混合控制

对一种综合了自适应前馈与反馈控制的混合控制策略进行了拓展和研究，并将它应用于双频谐振激励下直升机舱座位处多目标点振动的控制仿真。在混合控制策略的实现中，提出了多输入多输出系统的以提高模态阻尼为目标的反馈控制器(AOEF)的型式和设计方法，以及针对闭环控制通道的FXLMS算法。在直升机有限元模型上用2个作动器控制4排座椅处的振动，仿真表明混合控制策略为直升机多通道的振动控制带来了性能上的显提高。