直升机吊挂及吊挂物抛放过程建模与分析

建立带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型。为计算从悬停转入前飞过程中的过渡飞行段尾迹的畸变和气动干扰特性，旋翼尾迹模型采用非定常有限状态入流理论并添加了尾迹畸变模型；建立了六自由度吊挂体模型，包括多段柔性钢索模型、箱体运动模型以及简化的圆柱形箱体气动力模型等；箱体内弹药发射和抛放过程计入了后座力模型对箱体的反作用。模型程序能模拟弹丸瞬间抛放／发射的过程对直升机操稳特性的影响，并实时记录弹体、箱体和直升机的各项运动参数。     

直升机吊挂飞行稳定性和操纵性分析

建立直升机吊挂飞行的直升机/吊挂物/吊索耦合飞行动力学模型.其中直升机基本飞行动力学模型,包括挥、摆耦合的旋翼桨叶挥舞、摆振模型和弹性扭转模型,采用动态入流理论的旋翼尾迹模型,并考虑了旋翼尾迹对吊挂物的影响,还有直升机六自由度运动模型;建立了吊挂物刚体运动模型和根据风洞实验结果确定的吊挂物气动力模型,吊索采用柔索模型.在此基础上,比较了无吊挂配平操纵量与实验结果和吊挂飞行配平计算结果,分析了吊挂物对直升机平衡稳定性的影响以及直升机质心位置和吊点位置对稳定性的影响,在频城里进行了吊挂飞行的操纵性分析,计算结果与飞行实测进行了对比,二者吻合较好.     

一种适合飞行仿真应用的非定常非线性旋翼尾迹增强模型

基于被广泛应用的Peters—He有限状态动态尾迹模型,本提出了一种增强的非线性、非定常的旋翼尾迹模型,并混合王氏涡流理论建立了旋翼尾迹的旋转分量计算模型(桨尖轨迹平面处)。将原来的线性动态入流理论改造为非线性理论模型,并取消了计算影响系数短阵中的小角度假设。增强后的诱导速度模型适合计算低速飞行状态下旋翼平面内诱导速度,理论计算结果和实验值吻合较好。经优化的FORTRAN程序在常规单CPH微机系统中即可实现实时计算。     

一种新的旋翼动态尾迹模型研究

针对直升机大机动实时飞行仿真的需求，提出了一种新的旋翼动态尾迹模型，并开展了初步的验证研究。该模型采用涡环单元来表示旋翼尾迹涡系，每个涡环具有5个刚体运动自由度和1个半径伸展收缩自由度，可描述大机动飞行中旋翼尾迹的拉伸、压缩、倾斜、弯曲等动态畸变行为，并给出桨盘或空间任意区域的旋翼尾迹瞬态诱导速度分布。以悬停状态旋翼拉力和俯仰角速度阶跃突增为算例，通过与尾迹畸变增广的Pitt-Peters动态入流模型的对比分析，验证了本文模型的正确性和实时性，并得到了一些新的结论。     

吊挂物为刚体模型的直升机外吊挂飞行平衡与稳定性分析

基于外吊挂刚体假设,建立直升机-刚体吊挂耦合非线性动力学模型,刚体模型的外吊挂引入了额外的自由度和额外约束,使原来的9阶直升机非线性动力学方程增加到19阶,并通过小扰动假设进行线性化。利用延拓方法对直升机-刚体吊挂系统在不同的飞行速度下进行配平,与直升机单体飞行的实验数据以及直升机-质点吊挂系统的计算结果进行对比,分析带刚体外吊挂的直升机与无吊挂和质点吊挂模型平衡状态的差别。采用差分法计算刚体吊挂假设下直升机的运动模态,并分析加入外吊挂后对直升机稳定性的影响。结果表明,刚体外吊挂给系统引入5个新的运动模态,其中吊索摆动的两个运动模态是稳定的,而吊挂姿态运动的3个运动模态不稳定,同时吊挂的引入使得直升机运动的短周期模态和滚转模态变得不稳定,严重影响了直升机的飞行品质。     

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。     

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV 15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明：建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。     

适用于直升机俯仰与滚转机动分析的广义动态尾迹模型

现有的直升机操纵响应计算方法，给出的他轴耦合响应往往与飞行实测结果符号相反，这是由于仿真模型未计入机动时的尾迹弯曲。本文建立了尾迹弯曲的模型，推导出角速率与一次谐波入流分量之间的关系，据此对旋翼的广义动态入流模型进行了增广和修正；以某机型为算例，分析了直升机俯仰或滚转运动对他轴耦合响应的影响。本增广模型为通用模型，适用于任意机型，无需依赖特定机型的经验公式，即可正确计算直升机的他轴响应。     

前飞状态直升机旋翼的自由尾迹计算

应用时间步进方法，建立了一个前飞旋翼的全展自由尾迹模型。该模型采用圆弧涡元作为基本涡元，并依据自由尾迹涡线确定远尾迹形状以使远尾迹更接近实际和自由。为表明方法的有效性，分别以ＵＨ－１和Ｈ－３４两种直升机旋翼为算例，计算了不同前飞状态的自由尾迹形状，展示出小速度时尾迹畸变和叶尖涡卷绕的重要特征。在此基础上，应用自由尾迹分析，对前飞桨叶气动载荷进行了计算，分析了计及尾迹畸变对改进载荷计算的作用。     

直升机旋翼/机身气动干扰的计算方法

应用先进的自由尾迹分析方法，对旋翼／机身的气动干扰进行了计算。该方法建立在桨叶的二阶升力线模型、旋翼的全展自由尾迹模型、机身的源面元模型、旋翼的配平模型的基础上，通过迭代旋翼／尾迹在机身上的诱导速度和机身在桨盘平面、尾迹定位点的诱导速度，形成一个作耦合的综合分析模型。在该模型中，采用“数值解－分析解匹配”的方法建立了一贴近涡／面干扰模型来计入机身对尾迹畸变的影响。作为算例，分别计算了旋翼／机身组合     

基于ADS-33的直升机纵向操纵响应研究

美军航标ADS—33E—PRF对直升机操纵性的评价方法进行了重大革新，用带宽及相位滞后、动稳定性和快捷性来评价直升机的操纵性。本文首先对ADS—33E—PRF中有关带宽和相位滞后、动稳定性及快捷性的要求和指标进行分析讨论；建立了带宽和相位滞后、动稳定性及快捷性的计算模型，计算模型为线性模型并计入了操纵机构对带宽和相位滞后、动稳定性及快捷性的影响。最后，计算了样例直升机纵向通道的带宽和相位滞后、动稳定性及快捷性，并给出了样例直升机纵向通道的操纵性品质等级。结果表明本文提供的方法能合理地评价直升机的操纵性。     

基于逆仿真的直升机机动飞行科目数学模型及其应用

逆仿真可以驱动直升机仿真模型完成预定的机动科目,给出完成该机动的操纵输入规律和飞行状态变量的时间历程,因此建立机动科目数学模型是逆仿真的前提。本文提出了一个较通用的直升机机动科目分段函数描述方法,该方法可以对ADS－33E－PRF规定的大部分任务科目建立逆仿真所需的数学模型。以UH－60A“黑鹰”直升机为例,将以该方法所建立的机动科目“转向目标”、“障碍滑雪”数学模型应用于逆仿真,并依照ADS－33E－PRF的有关指标,根据仿真结果对“黑鹰”直升机驾驶品质的某些方面作出了评价,结果表明,该方法建立的数学模型能够真实有效地描述机动科目。     

无人直升机地面站系统组件化分布式设计与实现

无人直升机地面站开发是一个复杂的软件设计过程,提高其开发效率的关键在于有效地解决系统结构耦合和模块间实时通信问题。本文在CORBA事件服务机制和TAO实时通信服务品质的基础上,设计了用于Windows平台的事件提供者COM组件和事件消费者COM组件,实现了分布式无人直升机地面站系统组成组件对象间的解耦和实时数据通信。以事件提供者和消费者COM组件为分布式通信基础,以COM组件模型为实现手段,地面站各功能模块得以快速建立和调试。最终,分布式无人直升机地面站系统通过组件包容得以集成,系统的修改和升级也较以往更方便,说明了本文提出的将COM和CORBA相结合的组件化设计模式在构造复杂分布式实时应用系统方面具有明显的优势。     

直升机对风切变的响应

本文研究了直升机对风切变的动态响应。文中采用两种不同的风切变模型,按规范要求,利用对数模型分析了直升机对风切变的动态响应,利用线性模型分析计算了风切变参数对直升机动稳定性特征根的影响。所用的桨叶具有水平铰外伸量,桨叶根部有弹性约束,且仅考虑桨叶的刚性挥舞运动。诱导速度在桨盘处的分布则采用王氏固定涡系涡流理论所导出的诱导速度非均布公式。本文对直升机动力学方程不作线化处理。 本文推导计及风切变速度的旋翼力和力矩、旋翼挥舞运动方程和直升机动力学方程,最后以某型直升机为算例,用较好的计算方法计算了平衡数据和稳定性特征根以及对风切变的响应,并分析了风切变参数对稳定性的影响。     

直升机惯性交感对稳定性、操纵性和离散突风响应的影响

本文研究直升机惯性交感对稳定性和操纵性的影响,亦研究了对直升机在离散突风中响应的影响。旋翼动力学模型采用水平铰外伸量和桨叶根部有弹性约束的结构模型。诱导速度在桨盘处的分布采用广义涡流理论所导的公式。离散突风模型为规范所要求的正弦平方型。 本文以某典型直升机为算例,比较了计及惯性交感与否的稳操特性和突风响应。     

小型无人直升机飞行动力学建模及增稳设计

在分析小型无人直升机的结构布局及飞行特点的基础上，建立了飞行动力学通用结构模型。然后依据通用结构模型，利用飞行实测数据，得到悬停和前飞状态下的辨识模型。在分析辨识模型的动态响应特性后，根据飞行品质规范的要求，采用极点配置技对模型进行了增稳设计，并进行仿真验证。结果表明该增稳器效果良好，应用这种方法建立的小型无人直升机的增稳模型可直接应用于飞行控制系统的设计。     

斜置尾桨对直升机飞行特性的影响

基于叶素理论建立了斜置尾桨的数学模型,以UH-60A直升机为对象,计算了平飞配平特性,并与试飞结果进行对比,完成了对模型的验证。验证结果表明,所建的斜置尾桨模型合理准确,能满足工程精度。本文从直升机悬停需用功率研究了尾桨斜置角的设计,计算了不同尾桨斜置角对直升机悬停需用功率的影响,得出UH-60A直升机的尾桨斜置角优化值为20~25°。通过计算和对比斜置尾桨与常规尾桨直升机的平飞配平特性,得出尾桨斜置主要影响直升机的纵向配平特性。最后,对斜置尾桨的利与弊进行了一些讨论。     

直升机对大气紊流的响应

本文研究了直升机在大气紊流中的响应。文中假设大气紊流是一个在时间上平稳、在空间上均匀的随机场,紊流速度在桨盘上是线性分布,并以Von Karman模型来描述其频谱。诱导速度采用涡流理论导出的非均匀分布模型。 本文以其典型直升机为算例,计算了直升机对大气紊流的响应,并分析各紊流分量对直升机响应值的影响。