电控旋翼气动特性建模与风洞试验验证

首先建立了带襟翼翼型的非定常气动力模型,继而基于Peters-He广义动态尾迹理论,考虑襟翼偏转对电控旋翼叶素环境的影响,建立了电控旋翼有限状态尾迹模型;进一步基于Theodorsen理论推导出电控旋翼桨叶挥舞响应与桨叶变距和襟翼操纵量的关系,综合以上建立了电控旋翼气动特性分析模型.以改进型电控旋翼试验系统为平台进行了风洞试验,测量了不同风速、不同襟翼操纵条件下的电控旋翼气动力、桨距、襟翼偏角及旋翼挥舞角的变化情况.理论计算结果与试验数据符合情况良好,验证了所建立的分析模型的正确性,并得出以下结论:旋翼转速一定时,桨叶变距与襟翼操纵基本呈线性关系;旋翼拉力随襟翼总距的增加而逐渐减小,襟翼总距较大时,其实际气动效率略有下降;前飞状态时,襟翼总距操纵会引起桨叶的纵向周期变距.      

电控旋翼稳态操纵响应研究

电控旋翼是于21世纪初提出的一种新概念旋翼系统。为探索其操纵规律,首先给出电控旋翼的理论计算模型。以此为基础,对SA349基准电控旋翼的稳态操纵响应进行了计算分析。得出结论:(1)襟翼操纵可有效改变桨叶桨距,时滞约为1/10旋转周期;(2)前飞状态下,襟翼总距操纵会产生周期变距效应;(3)襟翼周期变距操纵响应与传统旋翼类似。在原理性电控旋翼系统上,进行了悬停和前飞状态下襟翼的总距和周期变距操纵试验。通过对操纵响应试验结果的对比分析,证明了理论计算模型的正确性,同时也说明电控旋翼完全可用于旋翼操纵。     

原理性电控旋翼系统试验研究

电控旋翼是于本世纪初提出的一种新概念旋翼系统。本文首次开展了电控旋翼的试验研究。首先自行研制了一套用于试验的原理性电控旋翼系统。以此为基础,进行了悬停和前飞状态下的电控旋翼襟翼总距和周期变距操纵试验。试验结果表明,电控旋翼的襟翼总距和周期变距操纵效果与常规旋翼类似,电控旋翼完全可以取代传统的自动倾斜器操纵系统实现旋翼操纵。理论与试验结果的对比则相互印证了正确性。     

电控旋翼直升机配平及操纵特点分析

对采用电控旋翼直升机的配平及操纵特性进行了研究。首先根据电控旋翼的刚体桨叶变距运动方程，推导了襟翼操纵量与桨叶桨距的显式关系式。以此为基础，建立了电控旋翼直升机的飞行动力学模型。以WZ-1直升机为样例直升机，对比分析了电控旋翼直升机与常规直升机的配平特性和操纵响应特性。结果表明，电控旋翼直升机具有与常规直升机类似的配平和操纵特性，桨叶预安装角和桨根扭簧刚度这两个参数对其影响显著。     

悬停状态电控旋翼桨距控制

针对改进型电控旋翼系统,首先建立了其各控制环节的数学模型,采用串级PID(proportion in-tegration differentiation)控制算法设计了悬停状态下电控旋翼桨距控制律,PID参数根据Ziegler-Nichols方法进行整定.通过仿真计算分析,初步验证了该控制算法对于桨距控制的有效性.以上述控制方法为基础,进一步开展了悬停状态下电控旋翼桨距控制的闭环试验研究,成功的实现了电控旋翼桨距幅值和相位的控制,验证了串级PID电控旋翼桨距控制算法的正确性和有效性.      

电控旋翼直升机飞行动力学建模与配平特性研究

首先基于Peters He广义动态尾迹理论,建立了电控旋翼动态尾迹入流模型,进一步结合电控旋翼襟翼操纵与桨叶变距之间的关系、桨叶挥舞运动方程和带襟翼翼型非定常气动力模型建立了适用于飞行力学分析的电控旋翼气动力模型.在此基础上,结合机身、尾桨、尾面的气动力模型,建立了完整的电控旋翼直升机飞行动力学分析模型.以Z-11直升机为基准改造为电控旋翼直升机作为算例,计算了前飞状态下电控旋翼直升机的诱导速度分布和桨盘迎角分布,对比了电控旋翼与常规旋翼的气动特性差异;在此基础上,进一步分析了电控旋翼直升机的配平特性随前飞速度的变化规律以及与常规直升机的差异.     

加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行性能

为研究加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行性能,建立了加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行动力学模型。采用UH-60A直升机试飞数据验证了计算模型的正确性。在此基础上,分析了样例直升机加装格尼襟翼后重量系数、格尼襟翼高度、沿径向位置和加装方式对旋翼需用功率的影响,以及加装格尼襟翼后旋翼桨叶剖面迎角分布、旋翼操纵量和机身姿态角的变化等。研究表明,直升机在重量系数较大的状态下高速前飞时,旋翼加装格尼襟翼能够明显降低直升机的需用功率,且加装转动格尼襟翼的效果优于加装固定格尼襟翼。功率降低幅值随格尼襟翼高度的增加先增加后减小。格尼襟翼在桨叶上布置的位置越靠近桨尖,其对需用功率的影响越大。直升机在重量系数较大的状态下高速前飞时,加装格尼襟翼能够使旋翼后行侧最大迎角显著减小。加装格尼襟翼后旋翼总距和纵横向周期变距减小。     

电控旋翼低频面内谐波噪声主动控制试验

为降低旋翼低频面内谐波噪声,以电控旋翼(ECR)综合试验系统为平台,开发了相应的噪声测试与控制系统,并提出了电控旋翼噪声频域自适应主动控制方法。在此基础上,开展了悬停状态下的低频面内谐波噪声闭环主动控制试验。试验中,襟翼控制频率为10Hz以桨尖平面内传声器所测噪声作为闭环反馈,另两个位置处传声器所测噪声作为监测量,同时对桨毂位置处的振动水平进行监测。施加主动控制后,控制系统历时约5s达到稳态,收敛速度较快且收敛过程无明显超调;最大可降低桨盘平面传声器位置处的低频面内谐波噪声为9.4dB,桨毂位置处旋翼通过频率振动水平则略有增大。试验结果表明该噪声测试与控制系统可有效实现电控旋翼低频面内谐波噪声控制,同时也验证了频域自适应算法用于减小低频面内谐波噪声的可行性及有效性。      

基于独立桨距控制的旋翼减振规律研究

独立桨距控制(IBC)能够改善旋翼气动环境,降低桨毂振动载荷。本文以SA349/2直升机为例,桨叶气动力计算采用Leishman-Beddoes动态失速模型和Pit-Peters动态入流模型,利用Fortran程序编译成为Adams子程序;桨毂载荷计算采用工程上应用较为广泛的Adams和Nastran软件,建立旋翼弹性桨叶气弹耦合模型。在周期变距基础上施加二阶、三阶谐波变距,研究独立桨距控制减振作用的规律。     

电控旋翼气弹动力学建模研究

研究了电控旋翼的气弹动力学建模方法.以有限元旋翼气弹分析程序LORA01为基础,首先给出了一种能计及襟翼移轴补偿影响的时域综合非定常气动力模型,并将伺服襟翼作为额外引入的质量体计入结构动力学模型;之后结合有限元法,根据Hamilton原理导出由广义力表示的带襟翼桨叶非线性运动方程,采用基于Newmark方法的隐式数值积分法对桨叶运动方程进行求解.最后,利用主动控制襟翼旋翼的试验数据对模型进行了比较验证,证明了所建模型的正确性.     

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.     

Experimental research of active vibration and noise control of electrically controlled rotor

Electrically Controlled Rotor (ECR), also called as swashplateless rotor, applies blade pitch inputs via trailing-edge flaps system instead of traditional swashplate mechanism. In addition to primary control, rotor vibration reduction and noise alleviation are also achievable via applying higher harmonic control inputs with the trailing-edge flaps. In this paper, the feasibility of ECR to reduce vibration and noise actively is verified experimentally. Firstly, the test scheme of ECR active vibration and noise control is proposed, and the ECR test platform is modified according to the test scheme. Then, an adaptive control algorithm based on Kalman filter is developed. Lastly, hover and wind tunnel tests is performed to verify the feasibility of ECR active vibration and noise control. The results demonstrate that the ECR are effective for reducing rotor vibration and noise simultaneously. In the hover condition, the ECR can reduce the in-plane hub vibration by 42% and the in-plane noise by 4 dB. In wind tunnel condition, ECR can reduce the hub vibration by 75% and the BVI noise by 3 dB.     

独立桨距控制对直升机飞行性能的影响

为研究旋翼独立桨距控制对直升机飞行性能的影响,在已验证的直升机性能分析模型基础上,以UH-60A直升机为样例,通过输入不同阶次、幅值和相位角的独立桨距,分析直升机的需用功率和升阻比变化,在此基础上给出了旋翼桨盘内迎角和阻力系数的分布,探讨了独立桨距控制提升直升机性能的机理。分析结果表明：高速时,2阶和3阶的独立桨距控制可降低旋翼需用功率、提高直升机的升阻比,但提升效果有限,直升机起飞重量较大时,效果更明显;2阶耦合3阶的独立桨距控制对旋翼性能的提升效果比单独的2阶或3阶桨距输入更好,样例直升机的需用功率最多降低了4.5%,4阶的独立桨距输入则不利于提升旋翼性能;输入独立桨距后,旋翼桨盘迎角分布改善,后行侧迎角减小,有利于推迟失速,桨盘的后行侧的阻力系数减小,可有效降低旋翼的需用功率,提升直升机飞行性能。     

悬停状态下无铰旋翼模型气弹稳定性试验

通过悬停状态下2m直径旋翼模型试验, 研究了旋翼结构参数及动力学参数对无铰旋翼桨叶气弹稳定性的影响, 参数包括桨叶总距角、预锥角、预掠角、摆振频率和旋翼转速。桨叶为挥-摆-扭耦合结构, 并能构成面内柔软和面内刚硬旋翼。试验采用在垂直方向以摆振后退型频率进行周期变距激振的新方法, 得到了与理论相一致的结论。      

基于自适应FIR算法的交流伺服系统前馈控制

永磁同步电机(PMSM)交流伺服控制系统中由于电子器件的开关引起相电流非正弦变化,经坐标变换得到的交直轴电流含有谐波成分,引起电流环振荡及电磁转矩脉动。在分析相电流与交直轴电流高次谐波关系,以及交直轴电流高次谐波对电磁转矩影响的基础上,提出了一种基于自适应FIR滤波器的交流伺服系统前馈控制策略,并在该方法的基础上提出了变步长因子算法,根据误差值改变步长因子,在提高滤波器收敛速度的同时减小超调。该算法与传统的一阶低通滤波器相比,相位不滞后,灵敏度更高,且系统稳定。改进后的控制策略有效地降低交直轴电流谐波,抑制电流环振荡及电磁转矩脉动,提高PMSM交流伺服控制系统稳定性及动态响应。通过仿真与试验证明了该方法的可行性。