基于虚拟仪器的轮翼气动实验系统研究

针对一种用于小型飞行器的新型高效升力和推力系统--轮翼,为了解决其所面临的测量参数多、气动力/力矩量值小、实时性强、耦合性高的困难,研制了基于虚拟仪器(VI)的气动实验系统.该系统采用四分量高精度应变天平、AC伺服电机及驱动器、应变放大器等设备搭建实验平台,利用基于虚拟仪器的LabWindows/CVI软件进行数据采集和数据处理.实验测得天平输出信号电压值与软件采集记录结果一致,为进一步做模型试验提供了可靠的基础.     

扇翼气动特性试验研究

通过对扇翼飞行器采用风洞试验的方法,研究横流风扇在不同风扇转速、来流速度、迎角、前缘开口角和叶片安装角下的升力、阻力和需用功率,得到相关的试验数据,并进行了处理分析。结果表明:风扇转速是影响扇翼升推力的主要因素,不同迎角和来流速度下扇翼的气动特性也不相同,前缘开口角和叶片安装角对扇翼的气动特性影响也比较大。本试验进一步验证了扇翼的工作原理以及获得控制扇翼飞行器升推力的方法,为大尺寸扇翼无人机的设计制作提供技术支撑。     

共轴双旋翼及孤立旋翼自转气动特性试验研究

为了研究旋翼自转状态下的气动特性,开展了孤立旋翼及共轴双旋翼自转气动特性试验研究.该试验设计了上/下旋翼具有不同安装形式的试验装置,可测得上、下旋翼及孤立旋翼的转速及其产生的气动力和力矩.通过风洞试验研究了共轴双旋翼以及孤立旋翼在自转状态下的气动特性,明确了旋翼转速及升力与影响参数之间的变化关系,对比分析了双旋翼上/下旋翼的相互干扰强度以及三片桨叶和两片桨叶的孤立自转旋翼气动特性,阐述了桨叶片数对旋翼稳定自转特性的影响,提出了提高直升机自转下降安全性的方法.     

旋翼/机翼转换式高速直升机RD15方案设计

首先对目前各种类型的高速直升机方案和提高前飞速度的新技术进行了综合比较和分析,在此基础上提出了一种旋翼/机翼转换式高速方案。然后,设计了高速直升机RD15的总体方案和直升机/飞机模式的转换过程。在该方案中,升力系统由盘翼和可收缩的桨叶组成;悬停和低速前飞时的控制采用单片桨叶控制技术;尾部采用矢量推力的涵道螺桨,不仅在悬停时提供方向控制,而且在飞机模式时提供高速前飞的推力和多种控制。最后,对此方案旋翼系统的气动特性和关键技术——直升机/飞机模式转换过程中盘翼的仰角、桨叶的长度、转速以及桨距等参数的变化进行了理论和试验研究,并建立了盘翼/旋翼系统的气动计算模型。计算和试验表明,该方案在直升机/飞机模式相互转化过程中升力、功率和操纵的改变能够实现平滑连续地过渡并保证操稳性。     

涵道风扇升力系统的升阻特性试验研究

近几年出现了许多构形新颖的垂直起降无人飞行器 ,都以涵道风扇作为升力系统。为了研究涵道风扇系统的气动特性 ,尤其是在复杂流场中涵道本身的升阻特性 ,在 3 .4m× 2 .4m开口风洞中对涵道风扇进行了吹风试验。试验模型由直径 1 .5 0 m的可变距风扇系统和外径 1 .8m的圆筒状涵道组成。试验状态变量包括涵道高度、吹风速度、涵道前倾角和风扇桨距。试验结果表明 :涵道在前飞状态比悬停状态产生更大的升力 ,但这一优势却被涵道的较大阻力所排斥 ,因而涵道风扇如果用作升力系统 ,仅适用于强调悬停和低速飞行的飞行器。     

并联式TBCC排气系统模态转换过程的流场特性研究

为了研究并联式TBCC（Turbine Based Combined Cycle）排气系统在模态转换过程中出口流场的变化特性及其气动性能的变化规律，采用动网格等技术完成了某并联式TBCC组合排气系统在整个模态转换过程中的非定常数值模拟。同时，对该排气系统模态转换过程中若干工况时的冷流进行了风洞试验，并将试验与数值仿真结果进行比较。研究结果表明:模态转换过程中，并联式TBCC排气系统出口流场的波系结构十分复杂，分流板出口激波对排气系统的气动性能产生了一定影响；TBCC排气系统的推力系数始终保持在0.9以上，但其产生的升力变化较大；风洞试验获得的壁面压力分布及流场纹影与数值模拟结果吻合较好，从而证明了本文数值模拟方法的可行性。     

开口壁式涵道螺旋桨气动特性数值模拟

涵道共轴双螺旋桨以其结构紧凑、气动效率高、气动噪声低、安全可靠等性能和结构优点,已经被作为一种推力或升力装置广泛地应用到飞行器设计当中。涵道共轴双螺旋桨作为涵道共轴多旋翼飞行器的主升力系统,为了进一步提升其功率载荷和抗风性,文中采用数值模拟方法对其在悬停状态、轴流状态和斜流状态下的气动特性进行了计算分析。提出了开口壁式涵道螺旋桨的主升力系统构型,并对其气动性能进行了计算,得出了开口壁式涵道螺旋桨相比涵道共轴双螺旋桨所具有的优势。     

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法.通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力.采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价.结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行.     

多涵道无人机设计及悬停性能数值仿真

针对无人机空中自主对接和组合飞行任务需求设计了6涵道螺旋桨无人机气动构型。运用数值模拟对该型无人机进行悬停工况气动特性研究，研究不同悬停转速下整机气动性能的变化，并在涵道环括工况下对螺旋桨进行气动优化。研究结果表明：螺旋桨是悬停升力的主要来源，随着转速变化，涵道升力始终占总升力的17%左右；阻力来自机体上表面和电机支架的迎风阻力，支架的阻力达到涵道螺旋桨总升力的10%；随着桨盘载荷提升，无人机功率载荷降低；涵道的存在影响了螺旋桨的滑流特性，造成桨盘平面轴向速度增加，截面翼型迎角变小，工作效率降低，经过合理调整其扭转角分布螺旋桨效率得到提升，拉力提高3.3%，效率提高2.9%。     

推力矢量发动机燃气舵气动特性设计

结合工程实际,论述和分析了推力矢量发动机燃气舵气动特性的设计过程。以工程算法快速地确定燃气舵的气动外形,借助针对燃气流动的数值分析方法,给出了绕燃气舵流场的流动特性。通过分析舵片上的压力分布,获得控制系统所需的各力和力矩值,以舵面的升力和法向力随舵偏角的变化规律,以及舵间的相互干扰等作为分析依据,对燃气舵气动特性设计进行详细计算。数值计算结果与试验结果的误差能够满足工程设计的需要。该方法为今后燃气舵气动特性的进一步研究可提供必要的手段。     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

涵道风扇空气动力学特性分析

涵道风扇较同样直径的孤立风扇能产生更大的升力,且风扇环括在涵道内,既可阻挡风扇气动声向外传播,又结构紧凑、安全性高。以此为升力面和飞行操纵面可构造出多种小型垂直起降无人飞行器。该类无人飞行器在前飞时,涵道处于前方来流和风扇吸流的复杂气流中,其升力、阻力和俯仰力矩对整机的配平乃至稳定控制具有决定性影响。本文对涵道风扇风洞吹风测力试验结果进行了分析研究,并进而提出:前飞时涵道阻力较大,涵道风扇若作为升力装置仅适用于强调悬停和低速飞行性能的飞行器;此外,涵道风扇式飞行器在大速度前飞时,为了实现纵向配平,整机重心垂向位置需要高于涵道阻力作用中心。     

高速直升机方案中升力转移过程的设计和试验研究

在众多高速直升机方案中，最有发展前途的就是旋翼／机翼转换式高速直升机。目前大多数转换式高速方案都采用升力转移来解决导致直升机不能飞得更快的根本原因——旋翼相对气流分布的不对称性所造成的气流分离及激波问题，即从直升机模式由旋翼承担升力过渡列固定翼飞机模式由机翼承担升力。而升力转移过程中，升力、功率和操纵的平滑过渡则是此方案的关键。本文根据某高速直升机方案设计了其升力转移过程，并用试验对升力转移过程进行了验证。     

亚、超音速细长翼身组合体大迎角气动特性的计算研究

本文提出了一种适于初步设计使用、具有良好精度的亚、超音速细长翼身组合体大迎角气动特性的综合性计算方法。对大迎角情况下的涡升力,采用吸力比拟原理计算;位流升力的计算,采用基本解的数值计算方法。关于机翼翼剖面头部圆度和涡破碎对涡升力的影响,进行经验性修正。翼身干扰的贡献,通过翼身干扰系数进行计算。并按文[4]原理,将亚音速计算方法推广到亚音速前缘的超音速情况。对几种机翼与翼身组合体的计算结果表明,本文方法具有方法简便、计算快速和符合设计精度要求的优点。     

微型共轴双旋翼气动性能数值模拟与试验分析

为研究悬停状态下旋翼的间距对微型共轴双旋翼气动性能的影响，文中通过搭建试验平台对间距比h/r分别为0.32、0.38、0.45、0.51、0.58、0.65和0.75下的共轴双旋翼进行气动性能测试，以测量不同旋翼转速下所得共轴双旋翼的拉力和功耗对共轴双旋翼气动布局进行优化，试图找出具有最佳气动特性的共轴旋翼布局。另外，通过试验误差分析确定了相应的拉力系数、功率系数和功率载荷，且试验误差均小于2%。同时，为更直观得到不同间距下气流干扰对旋翼系统气动性能的影响，文中采用数值模拟得到了不同间距比下旋翼的流线分布和压力分布。最后，对比试验结果，综合分析旋翼间气动干扰的影响，最终得到间距比h/r为0.38时的共轴双旋翼具有最佳的气动布局。研究结果表明，悬停状态的共轴双旋翼可以通过改变间距大大提高气动性能，且同一间距下转速越大虽然旋翼间干扰越强烈，但此时开始出现耦合，使得系统的气动性能可能更好，同时，由于上下旋翼间的相互诱导，虽然转速较低时升力较小，但是功耗明显低于高转速，使得系统具有更大的功率载荷。     

平流层螺旋桨等离子体流动控制地面实验方法

根据螺旋桨雷诺相似准则和等离子体射流相似准则,提出了一种基于螺旋桨叶素理论,利用地面实验设备开展平流层螺旋桨等离子体流动控制研究的实验方法。首先根据螺旋桨几何参数和运动参数计算叶素微段来流速度和迎角,然后根据螺旋桨雷诺相似准则确定常压翼型风洞模拟平流层叶素流动的吹风参数,最后根据等离子体射流雷诺相似准则,确定激励器和激励电源参数模拟平流层等离子体射流并评估其流动控制效果。利用该方法研究了20km 高度 S1223翼型螺旋桨的等离子体流动控制效果,实验表明:飞艇以5~20m/s 的速度前进时,SD-BD 激励电压峰-峰值13.6kV,频率10kHz 时,诱导的等离子体射流使螺旋桨300r/min 时推力最大可提高10.9%,600r/min 时推力反而减小了0.52%~1.7%。     

高速喷流干扰及控制技术研究

在高速风洞中对单喷模型喷流干扰和二次引射实现推力转向进行了试验研究,试验马赫数为0.6和0.8.结果表明:亚、跨声速喷流对气动特性起到积极作用;引入二次流可以实现喷流偏转,但是会带来一定的推力损失.