一种翼身融合布局飞行器的偏离特性分析

为研究某翼身融合布局飞行器的偏离特性，在南京航空航天大学回流式低湍流度开口风洞中进行了飞机模型的大迎角静态测力试验。通过对试验结果的充分挖掘，利用横航向静稳定性判据、侧滑偏离判据、横向控制偏离参数以及Weissman组合判据进行分析，获得了飞机的大致初始偏离迎角和偏离区域，并对飞机的尾旋敏感区进行了预测。同时，利用风洞虚拟飞行试验技术进行三自由度释放验证。结果表明:该翼身融合布局飞行器的横向静稳定性较差，在很小的迎角下就可能出现非指令滚转运动，这也是造成偏离发散的主要原因；而虚拟飞行试验对偏离现象有较好的复现，与通过稳定性判据得到的偏离特性具有较好的对应关系，验证了虚拟飞行试验在偏离特性研究上的可靠性。     

飞机偏航-滚转耦合运动非定常空气动力实验

在3m低速风洞中设计制造了一套动态实验系统，不仅能模拟飞机单自由度机动飞行运动．还能实现模型绕体轴的偏航-滚转耦合运动。通过选择运动参数．可实现绕两个轴运动角速度之间的匹配，满足飞机典型机动飞行所需的绕速度轴的无侧滑偏航一滚转运动。试验测量了BJ-1飞机模型在不同迎角下单独滚转、单独偏航和偏航-滚转耦合运动时的非定常气动特性。结果表明，飞机机动飞行时多自由度运动的气动特性比单自由度运动气动特性复杂，耦合运动时的气动特性与两个单自由度运动的气动特性的叠加结果相比有很大差别。     

高速风洞大振幅俯仰动态试验技术研究

在高速大迎角时的动态气动特性是衡量新一代高机动飞行器气动性能的重要参数之一。笔者介绍了在CARDC的FL 21与FL 24高速风洞配套的大振幅俯仰动态失速实验系统。该系统包括:FL 21与FL 24高速风洞大振幅俯仰运动机构;俯仰运动控制系统;数据采集与处理软件系统。该系统可以在高速风洞中真实模拟飞行器大振幅俯仰运动,并测量其相应的非定常气动力的变化,也可以为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。试验研究初步揭示了航天飞机OV102模型高速大迎角俯仰运动的动态气动特性。     

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动/运动耦合机理的目的.发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题.针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法.结果表明:对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程.     

2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2.4m×2.4m 跨声速风洞(以下简称2.4m风洞)虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

大迎角耦合运动非定常空气动力特性

采用某飞机大迎角大振幅运动风洞实验结果,分析了大迎角非定常空气动力的一些特性.结果表明,飞机机动飞行时多自由度运动的气动特性比单自由度运动复杂,耦合运动时的气动特性和两个单自由度运动的气动特性的叠加结果相比有一定差别.此外,旋转天平实验结果同本实验的结果相比差别较大.     

钝锥动态转捩风洞试验

钝锥飞行器俯仰振动时，非对称边界层转捩区前后移动相对于俯仰角运动的滞后将产生显著的非定常气动效应，导致飞行器俯仰动稳定性降低，严重时甚至会导致运动失稳。将基于气浮轴承的动态试验技术与转捩红外测量技术相结合，建立了钝锥动态转捩风洞试验技术。该技术采用气浮轴承提供俯仰运动自由且阻尼极低的支撑环境，采用红外热像仪实时测量飞行器表面整体转捩状态。开展了9°钝锥标模动态转捩试验，研究模型绕俯仰轴转动时边界层转捩区前后移动的非定常气动作用与飞行器运动的耦合效应。测量试验观察到了动态转捩试验迎角振荡现象，并发现了转捩区前后移动相对于迎角振荡的滞后现象，获得了转捩滞后时间。     

基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究

为了适应强侧风条件下的短距起降,大型通用飞机要求在大侧滑角时依然有较好的横航向稳定性。以某大型通用运输机为对象,开展横航向特性研究工作,发现该飞机的横航向试验数据存在拐折现象,并利用理论分析和风洞试验开展了基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究。研究表明:数据出现拐折现象的根本原因是机翼发生了局部分离——带侧滑角后机身引起的强烈上洗大幅度增加了迎风侧中央翼当地迎角,导致该迎角超过模型翼型失速迎角、发生局部分离。在机身侧面加装扰流板的方式干扰了上洗气流的流动,从而抑制了机翼上表面气流的提前分离,消除了横航向特征曲线的拐折现象,改善了飞机的横航向稳定性。     

非定常气动力建模研究与虚拟飞行试验验证

非定常气动力建模涉及空气动力学、飞行力学、飞行控制等多个领域,是完善飞机大迎角气动数据库的关键。传统的气动数据库模型为动导数模型,由静态气动力、旋转天平、动导数等数据构成,无法精细表征过失速机动状态下的非定常效应。循环神经网络（RNN）结构是一种处理和预测序列数据的神经网络结构,在人工智能领域运用广泛,与非定常气动力一样都具有时间序列依赖的特点。重点研究了循环神经网络在非定常气动力建模中的应用,利用单自由度俯仰振荡的风洞试验数据进行建模。使用强迫运动试验与虚拟飞行试验2种方法对非定常模型进行验证:在强迫运动试验中,通过直接对比气动力曲线,对具有实战意义的眼镜蛇机动进行了验证;在虚拟飞行试验中,通过对比试验与建模仿真的运动参数曲线,验证了气动力模型的准确性。2种验证方法均表明循环神经网络模型比传统动导数模型更接近试验结果。     

高速风洞超大迎角试验技术初步研究

大迎角风洞试验技术是先进高机动飞行器研制必需的关键技术。气动中心发展的高速风洞超大迎角试验技术 ,包括大迎角机构、模型、天平等。 1 .2m风洞超大迎角试验结果与 2 .4m量级的大风洞试验数据具有较好的一致性 ,试验精度基本达到了××标准对小迎角试验精度的要求 ,表明 1 .2m风洞超大迎角试验技术研究获得了成功。     

Control for Underactuated Reentry Aircraft in Small Angle of Attack

The control problem for under-actuated reentry vehicle like HTV-2 is considered with small angle of attack.The control strategy for an aircraft with positive lateral control departure parameter relies on strong lateral stability,which declines with the decrease of the angle of attack.Thus,to control the lateral-directional motion in a stable state is hard and even impossible in some scenarios where the under-actuated reentry vehicle,like HTV-2,flies in a low angle of attack.To address this problem,the lateral-directional open-loop motion characteristics are analyzed.The results show that in an uncontrolled state,the lateral-directional motion can automatically converge to stabilization thanks to the aerodynamic damping effect.Therefore,a method of turning-off the lateral-directional control and inviting aerodynamic damping to control can achieve stability.The six-degree-of-freedom simulation show that the lateral-directional motion can be stabilized by the aerodynamic damping,and the lateral position error caused by the bank angle deviation is limited near the zero-rise angle of attack.The control strategy is effective.     

超机动飞机的非线性控制与飞行员在环实时仿真

在空中格斗中，使用过失速机动可获得显著的战术优势，而飞机在大迎角和高角速率的情况下，其动力学具有强耦合性和非线性，本文讨论了应用非线性动态道进行超机动飞机飞行控制系统的设计。飞机的动力学可分成快慢两组变量，角速率是快变量，姿态角是慢变量，对快变量进行非线性逆控制器的设计，以此来稳定纵向短周期运动，并通过气动舵面与推力矢量的融合，来改善大迎角范围内的侧向响应。对慢变量进行非线性逆控制器的设计可使飞行员控制飞机慢动力学，即迎角、侧滑角和速度矢量滚转角。本文还讨论了一个飞行员在环实时仿真系统的设计，该系统采用了多台计算机的结构，可用于非线性动态逆控制律的飞行员在环分析。     

直升机吊挂飞行耦合分析

从气动导数和运动模态两个层面分析了直升机吊挂飞行中的耦合。首先,建立了直升机/刚性吊索/刚体吊挂物的全耦合飞行动力学模型。然后,计算了配平特性和频响特性,并与飞行试验数据对比验证了模型。最后,通过算例分析了直升机与吊挂系统的耦合。分析表明:直升机上吊挂点处的运动和作用力是形成相互耦合的关键。相互耦合使得直升机姿态对其角运动产生静稳定作用,直升机自身阻尼对整个系统产生作用,同时还增强了吊索摆角对吊索摆动的静稳定性。气动导数的变化削弱了直升机滚转和荷兰滚模态的稳定性,改善了吊挂系统两个单摆模态的动稳定性。直升机和吊挂系统的横航向耦合强于纵向耦合。     

基于蒙特卡罗法的飞机结冰后动力学特性分析

综合考虑随机性和不确定性构建了蒙特卡罗飞行仿真实验系统,探讨了蒙特卡罗飞行仿真实验的具体步骤;建立了结冰条件下基于四元数法的飞机本体六自由度运动方程;研究了结冰后人-机-环系统的动态响应,对直观反映结冰后运动状态的飞行参数进行了分析;基于相对速度和迎角超限构建了飞行风险发生的判定条件;量化研究了一维飞参极值样本的统计分布特性,结果表明二组极值样本的峰度系数均大于3,说明二组极值样本均有比正态分布更长的尾部,验证了相对速度极值和迎角极值均具有厚尾分布的特征。     

静不稳定倾斜转弯导弹飞控系统的设计与分析

本文给出了烦斜转弯(BTT)导弹简化的数学模型,研究了BTT导弹大攻角,强耦合和非线性的特点,分析了航向静不稳定弹体的气动特性,应用经典控制理论,提出了这类导弹飞控系统的设计方法和设计目标。在设计初期,暂不考虑交叉耦合作用,三通道独立设计,同时通过侧滑角反馈使航向静稳定。本文通过协调控制技术减小三通道的交叉耦合作用,提出了三种协调控制方法。最后,本文以某型BTT-90导弹为对象,给出了整个飞控系统的设计过程,进行了非线性数字仿真。仿真结果表明,设计达到了预期的目标。     

HIFiRE项目中气动/推进一体化高超声速飞行器设计研究

美澳通过HIFiRE项目在高超声速飞行器的气动、推进和控制等领域进行了深入探索，并对一体化设计有动力飞行器的高速性能进行了评估。以单项验证、步步推进的系列飞行试验方式，对乘波体布局以及不同动力方式开展原理研究，结合飞行试验对设计状态进行验证，取得一系列有价值的飞行数据和阶段性成果。通过梳理气动/推进一体化过程中相关飞行试验，提炼出总体设计中的关键技术和试验结论，并对有动力飞行器的发展趋势作了分析。研究显示发生转捩的单位雷诺数范围在3×106~4×106之间，适应小迎角高升力特点的乘波体与超燃冲压发动机的组合成为优选方案，所取得的成果为带超燃冲压发动机高速飞行器总体方案设计提供了一定的参考。     

基于风洞试验的非定常气动力微分方程建模方法

为准确描述大攻角非定常运动中非定常气动力的气动特性,研究了以微分方程为基础的非定常气动建模方法。在某战斗机大振幅偏航、滚转单自由度及偏航-滚转耦合运动风洞试验的基础上,对偏航力矩、滚转力矩建立微分方程模型,分析研究不同频率、同一侧滑角情况下,气动力的迟滞时间;然后对高频运动下的气动力进行拟合,进而建立高频运动下的气动力微分方程模型。研究表明:模型可精确预测不同机动下非定常气动特性;建模方法具有较强的工程可行性。     

中性稳定技术在综合火力/飞行控制系统中的应用

火力／飞行综合控制(Integrated fire／flight control，IFFC)系统要求对飞机飞行姿态的控制应具有精确性和快速性，但提高姿态跟踪精度受到自然飞机惯性动力学的限制。本文提出飞机中性稳定技术应用于综合火力／飞行控制系统，给出了中性稳定飞机结构图和动力学模型。利用后缘襟副翼偏转所产生的直接力效果，在一定的控制律制约下，去抵消迎角扰动所产生的气动效果，使飞机不再出现静稳定力矩，达到中性稳定。采用中性稳定技术的综合火力／飞行控制系统有效地加速了飞机在攻击区的姿态跟踪过程，并实现了姿态控制过程中航迹基本不变的机身瞄准模态控制要求，提高了火控精度和命中概率。仿真结果表明，中性稳定综合火力／飞行控制系统具有良好的控制效果和应用前景。