高空太阳能无人机飞行动力学建模与分析

高空长航时太阳能无人机的机翼是超柔性结构,在飞行中气动弹性变形体现了几何非线性特征,并与飞行动力学响应耦合,从而改变无人机的飞行特性。基于哈密顿原理,对柔性无人机进行了动力学建模,计算了不同装载时无人机的配平状态,并对飞行动力学特性进行了分析。结果表明,由于弹性变形和集中载荷的影响,无人机的短周期频率减小且阻尼增大,长周期运动与结构变形运动发生耦合,导致长周期的阻尼减小。     

吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析

吸气式高超声速飞行器在飞行过程中受到大气紊流等外部干扰的作用时,飞行姿态很可能会出现大迎角情况。针对大迎角飞行时飞行器可能出现的气动问题,对一种典型吸气式高超声速飞行器的流场进行了数值模拟。以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程,采用标准k-ε湍流模型求解,得到其流场特征和气动特性。重点针对大迎角情况,分别对整机气动特性、进气道性能和全动尾翼气动性能进行了分析,并结合流场特征作出解释。结果表明,机身和发动机之间存在气动/推进耦合现象。大迎角下飞行器的气动参数表现出非线性特性,升阻比减小,整机纵向表现为静不稳定,且不稳定性随迎角增大而增大;进气道性能在大迎角下降低,从而导致发动机推力下降,不利于发动机的正常工作,但却适当降低了整机的纵向静不稳定度;全动尾翼操纵效率降低从而使得配平难度增大。     

吸气式高超声速飞行器多学科动力学建模

高超声速飞行器一体化设计中存在气动/热/推进/结构弹性相互耦合的问题,首先根据飞行器的机体/发动机一体化设计思想构造了二维高超声速飞行器模型,并基于激波/膨胀波原理和动量定理建立了气动力模型,采用Chavez和Schmidt建立的超燃冲压发动机推进系统模型;在飞行器结构方面,引入变截面和变质量分布的自由梁结构模型,并采用Eckert参考焓方法分析的气动加热过程中承力梁不同轴向位置温度随时间变化特征,在此基础上运用模态法计算了燃料消耗和气动加热条件下结构的固有频率和振型特征,获得结构弹性变形的模型;最后建立了考虑热气动弹性和推进系统作用的飞行动力学方程。研究结果表明:质量变化对结构弹性特性影响比较显著,而气动加热的影响主要表现在振动频率方面,且会随着加热过程的持续而逐渐增强;结构变形会改变飞行器静配平状态,特别是在机体质量较大的最初飞行阶段,气动加热会强化结构变形对配平特征的影响;线性化系统的动力学特征分析表明,质量减小和结构变形均会增加短周期模态和振荡模态的不稳定特性,而对高度特性的影响不大,气动加热效应会进一步增加飞行力学和气动弹性的耦合特征,并导致弹性模态的稳定性降低。     

考虑力/热/结构多场耦合效应的飞行弹道预测

高超声速飞行器气动力/热/结构多场耦合的一个典型效应是热弹性变形,从而引起气动力变化及配平变化,并进一步改变飞行弹道与控制方案。将FL-CAPTER高超声速多场耦合分析软件拓展至飞行力学领域,建立了考虑气动力/热/结构多场耦合效应影响的弹道模拟新方法,并针对给定舵偏角下自主配平控制的助推-压缩楔组合体外形,开展不同耦合时间尺度下的飞行弹道特性研究,初步探讨分析了多场耦合效应对飞行弹道的影响。研究结果表明：对于助推-压缩楔组合体外形,考虑多场耦合效应后,变形将带来配平迎角增大,飞行器升力、阻力同时增大,升阻比降低,弹道飞行高度增加,飞行马赫数降低,航程变短等一系列影响;同时,气动/弹道耦合计算时间步长的选取对弹道仿真结果存在较大影响,当步长选取过大时,会带来非物理振荡,导致计算结果失真;所提出的基于变形量回溯插值技术的双时间步修正方法能够有效提高弹道仿真精度,削弱因时间步长选取过大造成的非物理振荡。相关研究对认识多场耦合效应与飞行弹道的耦合机理及弹道设计等可提供重要参考。     

直接力与推力矢量复合伺服控制技术研究

随着飞行器控制技术的发展,直接力、推力矢量等控制执行技术在飞行器控制领域得到广泛应用。直接力与推力矢量都具有对飞行器姿态控制效率高,精度好等优良特点。直接力在调姿过程中,系统动态过程平稳,但对于大姿态偏差情况下,直接控制的系统调整时间较长；推力矢量控制在面对大姿态偏差情况下,系统调整时间较短,但系统动态过程平稳性较差。本文结合直接力与推力矢量控制特点,设计了直接力与推力矢量复合控制策略。以某飞行器为研究对象,建立了飞行器的动力学与运动学模型以及直接力与推力矢量模型,提出了直接力/矢量推力复合控制技术的分配策略。经仿真验证表明,复合控制方法及控制分配策略使控制系统具有较快的响应速度和控制精度。     

高速柔性飞行器耦合动力学研究进展

针对以超声速或高超声速飞行的高速柔性飞行器,气动加热、气动弹性与飞行动力学间的相互耦合效应更加显著的情况,综述了高速柔性飞行器耦合动力学的研究现状与进展,包括弹性变形引起的非定常气动力的主要计算方法、受热结构气动弹性分析、气动弹性与飞行耦合动力学分析等.最后,提出了高速柔性飞行器耦合动力学研究中需要进一步关注的方向及问题.     

基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。     

弹性飞行器飞行载荷与动态特性分析

在综合考虑了刚体运动自由度和弹性自由度的弹性飞行器运动方程的基础上 ,采用了线性气动力的影响系数形式 ,提出了一套飞行载荷与动态特性分析的方程和方法 ,用于解决飞行力学和气动弹性力学中的静气动弹性发散、配平与结构变形、气动载荷分布、颤振与飞行动态特性等问题。算例表明 ,该方法有效可行 ,且对于大柔性飞行器 ,刚体运动模态与弹性模态之间的耦合是显著的 ,应予以重视。     

具有全向推力矢量的六旋翼无人机设计与建模

针对常规旋翼飞行器飞行速度小和加速飞行时不能保持机体水平姿态等问题,提出了一种具有全向推力矢量的六旋翼无人机设计方案;分析了推力矢量六旋翼在可倾转旋翼结构倾转不同角度时的飞行模式;建立了推力矢量六旋翼的动力学模型,并针对动力学模型设计了PID控制器;最后对动力学模型进行数值仿真验证.结果表明,所设计的推力矢量六旋翼能够悬停,且可以在定速飞行中保持飞行器的水平姿态.     

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

非对称结构损伤飞机鲁棒容损控制器设计

当飞机发生非对称结构损伤时,飞机的质量、重心位置和气动特性都会发生突变,飞机机体的对称性遭到破坏,致使飞机的横纵向间运动产生强烈的耦合。针对飞机发生非对称结构损伤时导致的飞行控制问题,建立了非对称结构损伤飞机的损伤模型,并基于一种新型鲁棒容损控制策略,采用非线性扩张状态观测器和非线性动态逆相结合的方法,对飞机的姿态控制器进行了设计,兼顾了飞机系统的性能和对损伤的鲁棒性。最后,基于NASA的通用运输机模型,对所设计控制器的控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明,设计的姿态控制器有效地抑制了非对称结构损伤给飞机控制系统带来的不确定性和扰动,具有较好的控制性能。     

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

Control-oriented modeling of a high-aspect-ratio flying wing with coupled flight dynamics

The flight-structural dynamics of a high-aspect-ratio wing challenge the flight control design. This paper develops a reduced model of coupled dynamics with stability consideration. The structural dynamics are formulated with dihedrals, and the central loads drive the deformation. The control-oriented model with essential coupled dynamics is formulated. Modal sensitivity analysis and input–output pairing are performed to identify the control structure. Besides, an example of flight control design is provided to discuss the necessity of considering structural dynamics in controller design. Analytical coupled flight dynamics provide a system-theoretic approach for stability and facilitate model-based control techniques. Simulation results reveal the characteristics of flight-structural coupled dynamics and demonstrate that the influence of flexible modes should be considered in control design, especially in lateral dynamics.     

考虑杆臂效应与挠曲变形的全自动着舰技术

联合精确进近和着陆系统（JPALS）舰载组件旨在为最终进近阶段的舰载机提供自动着舰能力。针对由于舰船杆臂效应与挠曲变形的存在导致舰载机着舰定位精度下降的问题,开发了一种基于卫星引导的全自动着舰非线性化参数误差模型,结合舰船甲板运动及舰载机纵向飞行控制模型,评估舰船结构挠曲和姿态不确定性对着舰落点精度的影响。结果表明,杆臂效应与挠曲变形对着舰落点精度有显著影响,利用建立的误差模型以及飞行控制模型,能够将着舰落点精度有效控制在着舰标准之内。     

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

垂直/短距起降飞机的控制仿真技术

针对垂直/短距起降飞机的特点,通过在某型飞机上虚拟加装升力风扇系统,建立了垂直/短距起降飞机的动力学模型,提出了垂直起降阶段垂向、纵向、横向和航向的控制方式并完成了控制律的设计与验证。研究结果表明,所建立的垂直起降动力学模型能够描述垂直起降飞机的动力学特点,提出的控制方式和设计的控制律能够有效地控制飞机实现垂直升降、侧飞、偏航、前飞和后飞等运动,可用于垂直起降飞机的飞行品质、起降程序的设计和验证等相关方面的研究。     

Dynamics,stability, and control of a four-cable mount system for wind tunnel test

A four-cable mount system is proposed for full-model wind tunnel flutter tests, which may adjust the pitch and roll attitude of the aircraft scaled model and ensure that the model is not subjected to cable tension. The system provides sufficient support to simulate the free flight of the aircraft by applying appropriate spring stiffness and cable tensions. The proposed four-cable mount system is modeled based on Lagrange mechanics, and its dynamics equations consider aerodynamic effects. The singularity of the system and its bifurcation characteristics under flow conditions are analysed to determine the supercritical bifurcation phenomenon for different tension levels and distances from the front suspension point to the mass centre of the model. The mathematical expressions of the longitudinal flight stability of the cable mount system are derived by linearising the system dynamics equations using small perturbations. The influence of the cable tension, spring stiffness, suspension point position, and other factors on the flight stability of the aircraft are analysed. A feedforward control algorithm is proposed to minimize the total elastic potential energy of the system. The results show that the model is in the level flight state when the elastic potential energy of the four-cable mount system is minimized. A feedback control design method is proposed based on the Lyapunov stability theory to derive the closed-loop stability conditions. The system dynamics model that includes the aircraft rigid body model, flexible cables, pulleys, springs, aerodynamic model, and servo motor control is established using the flexible multibody dynamics method. A multibody dynamics solver and Simulink are used to simulate the attitude adjustment of the model in the wind tunnel and verify the supercritical bifurcation characteristics of the system and the effectiveness of the feedback and feedforward control.     

四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真

四旋翼飞行器是典型的欠驱动、非线性、强耦合系统。其姿态控制精度和抗干扰问题一直是研究热点之一。为了实现小型低成本四旋翼飞行器姿态准确控制,详细分析了四旋翼飞行器受力情况,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型,针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中经常会遇到阵风、气流等不确定外界干扰,设计了基于小扰动的PID控制器,并通过对俯仰通道、横滚通道、偏航通道MATLAB/Simulink仿真模型进行仿真测试和结果分析。结果表明:所设计控制算法能够满足四旋翼飞行器姿态控制要求,并具有较好的抗干扰性能。     

Dynamic characteristics analysis and flight control design for oblique wing aircraft

The movement characteristics and control response of oblique wing aircraft (OWA) are highly coupled between the longitudinal and lateral-directional axes and present obvious nonlinear-ity. Only with the implementation of flight control systems can flying qualities be satisfied. This arti-cle investigates the dynamic modeling of an OWA and analyzes its dynamic characteristics. Furthermore, a flight control law based on model-reference dynamic inversion is designed and ver-ified. Calculations and simulations show that OWA can be trimmed by rolling a bank angle and deflecting the triaxial control surfaces in a coordinated way. The oblique wing greatly affects lon-gitudinal motion. The short-period mode is highly coupled between longitudinal and lateral motion, and the bank angle also occurs in phugoid mode. However, the effects of an oblique wing on lateral mode shape are relatively small. For inherent control characteristics, symmetric deflection of the horizontal tail will generate not only longitudinal motion but also a large rolling rate. Rolling moment and pitching moment caused by aileron deflection will reinforce motion coupling, but rud-der deflection has relatively little effect on longitudinal motion. Closed-loop simulations demon-strate that the flight control law can achieve decoupling control for OWA and guarantee a satisfactory dynamic performance.