飞翼布局飞机开裂式方向舵的作用特性和使用特点

大展弦比飞翼布局飞机取消了垂尾和常规方向舵,通常采用大偏角的开裂式方向舵作为偏航操纵面.基于风洞试验数据,研究了开裂式方向舵的偏航操纵非线性、小偏角偏航舵效低、附加力效应显著和3轴操纵耦合等特性,并分析了其偏转对飞机气动特性和稳定特性的影响.总结了开裂式方向舵在各飞行任务阶段下的使用特点,如针对其小偏角偏航舵效低的特性...     

开裂角对阻力方向舵颤振特性的影响

对于无垂尾飞翼式布局飞机,阻力方向舵是一种十分有效的偏航控制装置。偏航控制时,舵面大角度偏转,引起气流分离、涡等复杂流场运动,非定常气动力复杂。计算气动弹性学科提出流固耦合求解方法,以期用于阻力方向舵气动弹性问题的求解。本文采用基于CFD技术的流固耦合方法求解阻力方向舵二维气动弹性问题,计算结果表明,随着开裂角的增大,阻力方向舵的颤振速度增加。对阻力方向舵气动特性进行了计算分析,结果表明阻力方向舵开裂,舵面背风区形成死水区,舵面非定常气动力影响系数减小,阻力方向舵开裂角越大,其颤振速度越大。     

民用飞机控制律对偏航机动载荷影响分析

飞机机动过程中方向舵快速大幅偏转会使方向舵和垂尾上产生较大气动载荷并传递到后机身,导致 驾驶员来回往复蹬舵造成安全事故。针对 CCAR-25部25.351条规定的偏航机动情况及 CS-25部25.353规定的偏航机动新条款——方向舵往复偏转,本文首先对两种偏航机动条款分别进行分析;然后考虑控制律进行 偏航机动情况机动仿真计算;最后通过比较分析飞机响应运动参数及垂尾载荷计算结果,并分析控制律对偏航 机动载荷的影响。结果表明:对于偏航机动,考虑控制律后飞机的响应幅度有所缓减,导致垂尾载荷有所降低; 对于偏航机动新条款,由于方向舵反向偏转导致侧滑角贡献和方向舵偏度贡献垂尾载荷两者叠加,从而导致垂 尾载荷大幅增加;P-Beta控制律有效降低了方向舵往复偏转的垂尾载荷。     

开裂式方向舵对某无尾飞翼布局飞机气动特性影响的实验研究

开裂式方向舵是无尾飞翼布局飞机一种重要的阻力式偏航装置。本文在不同马赫数和舵偏下,通过风洞实验,深入研究了开裂式方向舵的作动对某无尾飞翼布局飞机气动特性的影响。研究结果表明开裂式方向舵是一种合理的偏航式操纵装置,能够在升力、侧力和俯仰力矩变化较小的条件下提供较大的偏航力矩,但也与滚转力矩存在一定程度的耦合。本文的研究为开裂式方向舵的工程化应用提供了一定的基础。     

民用飞机偏航控制系统设计策略研究

偏航控制系统是保证飞机安全飞行的关键系统,其性能优劣不仅直接影响飞机的操纵品质和性能,失效状态下还会危及飞机的飞行安全,方向舵作为偏航控制主要操纵面,其权限管理、余度配置以及稳定能力的设计都需要高的可靠性和安全性;如果使用闭环控制回路,设计措施来避免系统与飞机弹性模态之间的不良耦合是必须的。     

大后掠飞翼布局无人机操纵面特性及控制研究

飞翼布局飞机由于取消了常规安定面,导致其稳定特性发生了很大的改变.针对所建立的大后掠飞翼模型,给出了一套典型的操纵面布置方案,通过CFD计算后,对各舵面气动特性进行了分析,在升降舵、副翼和阻力方向舵偏转过程中对各气动参数的影响进行了研究,给控制系统的设计提供了依据.同时,研究了开裂式阻力舵开裂后引起的纵横航向耦合运动及其控制情况.     

小展弦比飞翼布局作战飞机偏航轴飞行品质评定

依据MIL—STD—1797A飞行品质规范,对小展弦比飞翼布局作战飞机的偏航轴飞行品质进行了评定研究。评定结果表明：由于构型的原因,飞翼布局飞机本体的稳定特性和阻尼特性都较差,因此飞行控制系统对其动态响应特性的调节作用更加明显。稳态配平特性主要受构型的影响,飞翼布局飞机一般不能完全满足飞行品质的要求。由于可控性的设计要求需采用多操纵面的组合操纵,控制分配技术导致某些现有的品质准则需要修改。小展弦比飞翼布局飞机取消了垂尾（方向舵）并采用了新型操纵面（ICE）,在某些情形下对偏航轴操纵效能的需求与常规飞机相比存在较大的差异。总之,在飞翼布局作战飞机的构型设计、飞控系统设计以及飞行品质评定条款的制定、实施中,均需考虑这些新的飞行品质特性。     

开裂式方向舵在变前掠翼布局中的操纵性能研究

 针对变前掠翼(VFSW)无尾布局的横航向操纵,设计了开裂式方向舵(SR)操纵面,采用Navier-Stokes控制方程的有限体积离散方法以及剪切应力输运(SST)湍流模型,计算了变前掠翼中平直翼和典型的前掠翼布局开裂式方向舵的操纵性能,并对其操纵效率进行了比较,分析了其流场形态。计算结果表明:右侧开裂式方向舵打开后,平直翼时迎角对偏航力矩的影响较小,而舵偏量对偏航影响显著,利于偏航;前掠翼的偏航力矩随迎角的增加有所波动,但在小迎角时较为稳定,偏航作用随舵偏量增加而增强;右侧滑对滚转作用强于左侧滑,偏航作用低于左侧滑。经比较,平直翼的偏航作用明显强于前掠翼,平直翼和前掠翼的滚转和偏航作用均具有耦合性,但平直翼的耦合效应弱于前掠翼。     

B-2飞行控制系统的设计技术

四发全翼布局的B-2隐身轰炸机,兼有低空突防能力,用以穿透严密的纵深防区,摧毁具有重大价值的目标。 B-2的全翼(all-wing.)布局是诺斯罗普公司早期飞翼(fly-wing)设计的继承和发展,其特点是机翼面积大、翼载低、升阻比高,因而在航程和装载方面有优势。高超的隐身能力,使外形、操纵面和空速管布置独特。这些都给飞控系统设计提出了新的挑战。 B-2是第一架真正随控布局的生产型飞机。主操纵面由机翼后缘三组升降副翼操纵俯仰和滚转,低速飞行时内升降副翼协同参加操纵。最外一组操纵面可上下分裂张开,构成阻力方向舵操纵偏航,并能作辅助俯仰滚转操纵,也可作减速板,如图1所示。操纵面的使用与起飞、巡航、着陆主要飞行状态所需飞控构型有关。     

双发飞翼布局保形尾喷管燃气舵概念设计

针对飞翼布局操纵效能低、稳定性差等不足,基于大展弦比双发动机布局飞翼无人机,开展了保形尾喷管燃气舵概念设计,分别设计了一种燃气方向舵与燃气升降舵。结合可靠的计算流体力学(CFD)计算方法,获取了全机纵向和横航向气动特性,并与常规气动舵设计进行了对比。研究表明:燃气方向舵比传统阻力方向舵具有更好的偏航操纵效率,且基本不影响全机升阻特性和俯仰力矩特性;燃气升降舵与内翼段开设升降舵时俯仰操纵效率接近,且在小迎角下具有显著的俯仰操纵效率,带来的附加阻力较小。     

Reconfigurable Flight Control Design for Combat Flying Wing with Multiple Control Surfaces

With control using redundant multiple control surface arrangement and large-deflection drag rudders,a combat flying wing has a higher probability for control surface failures.Therefore,its flight control system must be able to reconfigure after such failures.Considering three types of typical control surface failures(lock-in-place(LIP),loss-of-effectiveness(LOE) and float),flight control reconfiguration characteristic and capability of such aircraft types are analyzed.Because of the control surface redundancy,the aircraft using the dynamic inversion flight control law already has a control allocation block.In this paper,its flight control configuration during the above failures is achieved by modifying this block.It is shown that such a reconfigurable flight control design is valid,through numerical simulations of flight attitude control task.Results indicate that,in the circumstances of control surface failures with limited degree and the degradation of the flying quality level,a combat flying wing adopting this flight control reconfiguration approach based on control allocation could guarantee its flight safety and perform some flight combat missions.     

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.     

小展弦比飞翼布局作战飞机可控性设计方法

 飞翼布局飞机取消了常规布局飞机采用的安定面和操纵面,由此引起其可控性设计的诸多新问题。以某小展弦比飞翼布局作战飞机为例,利用风洞试验结果研究了几种典型新型操纵面的操纵新机理及不同飞行条件下的操纵效能等。基于可控性设计的要求,估算了该飞翼构型作战使用所需的三轴最大控制力矩系数。通过引进舵容量的概念提出了新型操纵面的参数化设计方法,最后对这一新布局方案进行了可控性评估,为飞翼布局飞机概念设计阶段的新型操纵面布置和设计提供了一种实用的方法。     

弯折翼尖对飞翼布局飞机气动特性影响

为提升无尾飞翼布局飞机航向控制能力,以典型飞翼布局飞机模型为研究对象设计了翼尖可绕弦线方向偏转结构。基于FL-14风洞单自由度动态试验系统开展了静态和动导数试验,研究了飞翼布局飞机基本气动特性及翼尖偏转对全机气动特性的影响。结果表明：无尾飞翼布局飞机航向呈静不稳定,航向动稳定性极弱,航向增稳设计及控制很有必要;翼尖偏转有助于增强飞机的航向静、动稳定性,并很好地解决了传统阻力类舵面航向增稳时导致全机升阻比下降气动效率降低的问题;翼尖偏转能够有效改善飞翼布局飞机恶化的荷兰滚模态使之趋近于常规布局飞机模态,这有利于简化飞机横航向控制律设计方法。弯折翼尖结构具有舵面少、效率高的特点,是航向增稳的有效手段,具有应用价值。     

可弯折翼尖在飞翼布局中操纵性能研究

采用经过验证的CFD计算方法,对可弯折翼尖在飞翼布局中的操纵性能进行研究。结果表明,可弯折翼尖是通过侧向力实现横航向操纵的,且进行横航向操纵时对升力、阻力和升阻比的影响都较小。在可弯折翼尖单侧作动时,偏航力矩、侧向力、滚转力矩三者之间存在强烈耦合;在可弯折翼尖两侧反向同步作动时,滚转力矩发生相互抵消,仅侧向力和偏航力矩二者之间存在较强的耦合。可弯折翼尖单侧作动和两侧反向同步作动可形成两种不同的横航向操纵机制。     

基于零空间的改进直接分配法

直接分配法是解决操纵面冗余飞行器控制分配的一种有效方法,但直接分配法只能对指定方向上误差最小目标进行优化,这种缺点限制了直接分配法的应用。零空间可以在保持转矩不变的前提下对控制量进行调节,利用这种特性,在三维转矩直接分配的基础上,通过对零空间坐标K进行数学规划可以使其他性能指标达到最优。推导证明,控制量最小问题和阻力最小问题分别可以转化为对坐标K的线性规划与二次规划问题。仿真结果表明,给出的基于零空间的改进直接分配法可以实现控制量最小和阻力最小控制分配。     

Effective control allocation using hierarchical multi-objective optimization for multi-phase flight

For different flight phases in an overall flight mission, different control and allocation preferences should be pursued considering lift, drag or maneuverability characteristics. The multi-objective flight control allocation problem for a multi-phase flight mission is studied. For an overall flight mission, different flight phases namely climbing, cruise, maneuver and gliding phases are defined. Firstly, a multi-objective control allocation problem considering drag, lift or control energy preference is constructed. Secondly, considering different control preferences at different flight phases, the analytic hierarchical process method is used to construct a comprehensive performance index from different objectives such as lift or drag preferences. The active set based dynamic programming optimization method is used to solve the real-time optimization problem. For the validation, the Innovative Control Effector (ICE) tailless aircraft nonlinear model and the angular acceleration measurements based adaptive Incremental Backstepping (IBKS) are used to construct the validation platform. Finally, an overall flight mission is simulated to demonstrate the efficiency of the proposed multi-phase and multi-objective flight control allocation method. The results show that the comprehensive performance index for different phases, which are determined from the Analytic Hierarchy Process (AHP) method, can suitably satisfy the preference requirements for different flight phases.     

连接翼布局直接力控制可能性的初步探索

对连接气动布局实现直接力控制的可能性进行了初步的探索。通过前、后机翼的长降舵面的不同偏转角组合，分别产生直接升力，侧力和阻力，提高了飞机的气动性能，并改善了控制的响应品质，给飞机提供了独立的姿态或轨迹控制的非同寻常的运动模态。增加头部鸭翼可进一步提高和改善了连接翼布局的直接升力特性。