类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

多无人机编队飞行气动耦合仿真

针对多无人机紧密编队飞行中的气动耦合问题,提出了一种基于涡流模型分析和计算流体力学(CFD)仿真相结合的气动耦合研究方法.该方法首先在分析长机尾涡对僚机产生诱导速度的基础上,分别建立了僚机气动增量、两机相对位置及相对方位的数学模型,进一步通过仿真计算得到编队飞行时的最佳间距,最后利用CFD对长机与僚机间的气动耦合效应进行了仿真.结果表明:X-47B无人机按此间距编队飞行时,僚机的升阻比从5.4774提高到7.2231.     

ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题，基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型，对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先，通过尾涡耗散模型和速度模型，建立了不同前机尾涡速度场；然后，根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解，得到其升力和滚转力矩；最后，将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较，分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时，过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时，相比于ICAO规定的中型机尾流间隔，ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

近距编队飞行气动影响建模与分析

针对近距编队飞行面临的相互气动影响问题,采用等效气动效应法建立了尾流气动影响的等效模型.该模型可引入编队飞行六自由度方程.通过仿真验证表明,由等效模型计算出的诱导力与诱导力矩和风洞数据具有较好的符合度,等效模型可直接用于编队飞行建模及控制器的设计与仿真.     

飞机尾涡对飞行安全的影响

针对一次夜间双机编队飞行时发生的空中相撞事故,根据机载黑匣子记录的飞机飞行参数,判明机进入了长机尾涡,利用记录的飞行参数,阐明了飞机进入尾涡的征兆,以及尾涡对飞机仪表,动态和操纵的影响,找出了飞机发生相撞的原因,为防止类惟事故发生,提出了僚机进入长机尾涡后应采取的措施,以供飞行行人员参考。     

无人作战飞机空中加油建模与近距机动控制律设计

针对无人作战飞机(UCAV)空中加油时存在加油机尾流干扰导致相对位置难以保持的问题,基于等效气动效应法建立了UCAV动力学模型,并设计了近距机动最优飞行控制律.将加油机尾流对UCAV的影响等效为平均风速度和风梯度,计算出附加于UCAV的诱导力系数和诱导力矩系数,建立了含尾流扰动的受油机模型.以位置跟踪误差的积分为增广状态,基于加权二次型性能指标设计了近距机动最优飞行控制律.仿真结果表明,UCAV模型能真实地体现尾流对受油机的影响,并通过设计的近距机动控制律可有效实现对加油机相对位置的精确跟踪.     

无人作战飞机空中加油建模与近距机动控制律设计

针对无人作战飞机(UCAV)空中加油时存在加油机尾流干扰导致相对位置难以保持的问题,基于等效气动效应法建立了UCAV动力学模型,并设计了近距机动最优飞行控制律。将加油机尾流对UCAV的影响等效为平均风速度和风梯度,计算出附加于UCAV的诱导力系数和诱导力矩系数,建立了含尾流扰动的受油机模型。以位置跟踪误差的积分为增广状态,基于加权二次型性能指标设计了近距机动最优飞行控制律。仿真结果表明,UCAV模型能真实地体现尾流对受油机的影响,并通过设计的近距机动控制律可有效实现对加油机相对位置的精确跟踪。     

基于尾气排放控制尾涡的新型减阻方法研究

以某微型客车为研究对象,采用大涡模拟的计算方法,研究尾气排放控制尾涡的新型减阻方法。首先,通过风洞试验验证仿真方法的准确性;然后通过瞬态计算,分析了尾涡对气动阻力的影响机理,以及基于尾气排放控制尾涡的可行性;最后,研究了尾气管布置在不同位置时对减阻的影响。提出了尾气脉动排放来进行减阻,研究了尾气排放周期对减阻的影响,并对比分析了尾气以定常与脉动排放的减阻机理。结果表明:与未考虑尾气排放情况相比,考虑尾气排放会有一定的减阻效果,按一定位置布置的圆形尾气管减阻达到3.64%,并且尾气脉动排放较定常排放减阻效果更明显,当尾气以0.08s为排放周期时,最优减阻达4.76%。     

基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制

针对四旋翼无人机在编队飞行执行任务时可能遭遇障碍物问题,考虑多无人机避障及机间避撞的需求,提出 1种基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制算法。首先,建立四旋翼无人机动力学模型,并建立虚拟控制量简化控制模型;其次,基于零空间方法进行避障与协同编队控制算法研究,将无人机任务执行分解为目标趋向任务、避障避撞任务和协同编队任务,并根据优先级进行任务融合得到期望速度;再次,基于 PID方法设计控制律;最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性。所提方法可保证四旋翼无人机在编队飞行中遭遇障碍物时的飞行安全。     

Experimental and computational investigation of hybrid formation flight for aerodynamic gain at transonic speed

The influence of the wing-tip vortex of leading aircraft on energy savings, quantified by formation aerodynamic force fraction of the following aircraft, is studied at transonic speed for a matrix of leading aircraft’s vortex locations. The research model adopts the hybrid formation of medium and large aircraft. The leading aircraft is scaled by 2.1%, and the following aircraft is scaled by 1.4%. An aerodynamic benefit “map” is developed to determine the optimum location of the following aircraft relative to the leading aircraft wake and to compare with experimental results, thus validating the use of CFD for the formation flight at cruising speed. The response surface model of aerodynamic gain effect relative to formation parameters is established via numerical calculation and wind tunnel test. The optimal formation parameters and the setting criteria of the study model are optimized. Results show that the wing-tip vortex of large aircraft significantly increases lift and reduces drag on the medium-sized aircraft following it. Reduced drag slightly increases with the flow direction position. With the increase of flow direction distance, the peak area moves from 15% of wing-tip overlap to 20% of overlap. In addition, the maximum drag decreases about 16%, and the maximum lift increases about 12%. The lift drag ratio of the optimal position is increased by 27%, which is twice as large as that of the same scale ratio aircraft formation. Results show that the increase of lift is mainly caused by the increase of suction peak and suction range.     

飞行器阵风响应的CFD-6DOF仿真分析

飞行器在大气中飞行,不可避免地受到阵风的影响。阵风所附加的气动载荷引发飞行器飞行状态的改变,过大幅值的阵风影响飞行的性能与安全。针对这种状况,首先采用改进的Lamb-Ossen涡模型,建立尾涡形式的阵风场;然后采用基于CFD技术的非定常N-S方程求解,并在计算网格中引入"网格速度"来模拟阵风,对SWIM(Subsonic Wall Interference Model)尾涡中的定常气动特性进行验证;最后通过CFD-6DOF的耦合,对SWIM俯冲穿越尾涡场的飞行轨迹进行研究。结果表明:计算结果与实验值符合较好;SWIM在尾涡中飞行时出现抖动、下沉、改变飞行状态、剧烈翻转的现象,与实际飞行器进入尾涡中的轨迹特性类似。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

空中交通中尾流间隔的研究

分析了雷达尾流间隔标准的分类，通过尾流的形成机理和对后机影响的分析，建立了后机的危险遭遇模型和前机的尾流消散模型，给出了在确定的时间间隔下确定尾流危险遭遇概率的方法。     

融合式翼梢小翼减阻效应研究

有效减小诱导阻力对于飞机降低油耗、提高航程具有重要意义。针对某飞机翼身组合体构型,采用CFD数值模拟方法分析融合式翼梢小翼对飞机气动力特性的影响,尤其是其减阻效应;并给出翼梢小翼附近的空间流场。结果表明:带翼梢小翼后翼尖涡强度减弱,飞机阻力系数明显下降;固定升力系数0.5时,弯矩增加3.2%,阻力系数减小4.2%。     

一种尾流消散动态预测的改进算法

尾流间隔是增大跑道容量的主要限制因素之一，为了在保持安全水平的前提下有效地增大跑道容量，可以对尾流消散进行动态预测，并据此缩减尾流间隔。研究了一种尾涡消散动态预测算法，该算法考虑了真实大气的大气分层、湍流、侧风、迎面风、风切变以及地效影响，并用一阶后向差分对该算法进行了离散化改进；在改进算法的基础上，时进近阶段尾流的消散在Matlab中进行了仿真计算；计算结果复现了尾涡的下沉现象和侧风对尾涡传输的线性累积效应。     

Three-axis coupled flight control law design for flying wing aircraft using eigenstructure assignment method

Due to elimination of horizontal and vertical tails, flying wing aircraft has poor longitudinal and directional dynamic characteristics. In addition, flying wing aircraft uses drag rudders for yaw control, which tends to generate strong three-axis control coupling. To overcome these problems, a flight control law design method that couples the longitudinal axis with the lateral-directional axes is proposed. First, the three-axis coupled control augmentation structure is specified. In the structure, a “soft/hard” cross-connection method is developed for three-axis dynamic decoupling and longitudinal control response decoupling from the drag rudders; maneuvering turn angular rate estimation and subtraction are used in the yaw axis to improve the directional damping. Besides, feedforward control is adopted to improve the maneuverability and control decoupling performance. Then, detailed design methods for feedback and feedforward control parameters are established using eigenstructure assignment and model following technique. Finally, the proposed design method is evaluated and compared with conventional method by numeric simulations. The influences of control derivatives variation of drag rudders on the method are also analyzed. It is demonstrated that the method can effectively improve the dynamic characteristics of flying wing aircraft, especially the directional damping characteristics, and decouple the longitudinal responses from the drag rudders.     

多操纵面飞翼布局作战飞机的控制分配方法

飞翼布局作战飞机取消了升降舵和常规方向舵,采用冗余的新型多操纵面配置新方案,并使用大偏角的阻力方向舵来实现其偏航操纵.阻力方向舵的偏转会同时引起3个轴向的附加力和力矩,且具有单侧偏转为偏航操纵、双侧偏转为增阻减速的功能特点.为了解决这类新布局飞机操纵面多于控制指令的冗余设计和操纵面无明确功能轴向的新问题,在其飞行控制系...     

Flight safety,aircraft vortex wake and airport operation capacity

One of the major problems that challenge today's aeronautics is the problem of improving flight safety. A zone of increased hazard is the aerospace in the vicinity of an airport. Here, one of aircraft accidents' causes is wake turbulence generated by aircraft. The encountering of an aircraft on take-off or landing with the vortex wake of a preceding aircraft can lead to an accident especially dangerous near the ground.