惯性参数对飞翼体自由度颤振特性的影响规律研究

飞翼飞行器刚体短周期模态频率较高,易与一阶弹性弯曲模态耦合发生一种特殊的颤振——体自由度颤振。采用风洞实验与频域计算相结合的手段,开展了惯性参数(俯仰转动惯量、质心位置)对飞翼飞行器体自由度颤振特性(颤振速度和颤振频率)的影响规律研究。实验和计算结果表明:俯仰惯量和质心位置会明显改变体自由度颤振频率与速度,颤振实验与计算结果一致性较好。俯仰惯量增加,颤振频率降低,沉浮约束时颤振速度基本不变,沉浮自由时颤振速度增大;质心位置前移,俯仰模态频率与阻尼同时增加,俯仰与一阶弹性弯曲模态耦合更容易,但发散模态分支的阻尼也更大,导致颤振速度先降低后增大,颤振频率单调增加。     

非线性气动弹性模型参考自适应控制

 首先将含有前/后缘双控制面二元机翼的动态方程以状态空间形式描述,然后考虑俯仰方向的迟滞非线性模型存在参数不确定性的情况下,利用Lyapunov稳定性理论进行了结构化模型参考自适应控制律设计。仿真结果显示：所设计的控制律能够使开环不稳定的气动弹性系统快速地达到稳定状态。由于最大控制面偏转的存在,来流速度较高时闭环系统仍会发生颤振;根据控制面最大偏转的不同取值,文中给出了闭环临界颤振速度的变化曲线。     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

刚体飞行器大角度机动的反馈非线性化控制

研究了刚体飞行器大角度的姿态控制问题,采用四元数描述刚体姿态,建立了刚体姿态运动的数学模型。基于反馈非线性化技术,通过构造李雅普诺夫函数推导出标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律。两种控制律不需要知道系统参数,对模型误差具有鲁棒性。理论分析和仿真结果表明,所求控制律对闭环系统具有全局渐近稳定性。     

弹性飞行器伺服气动弹性分析

伺服气动弹性问题是因非定常空气动力、结构弹性与飞行控制系统间的闭环耦合而引起的弹性飞行器新课题。首先,综述了飞行器伺服气动弹性相关问题;其次,考虑飞行器刚体模态与弹性模态的动态耦合,建立了弹性飞行器俯仰通道短周期运动模型;最后,通过编制软件对飞行器伺服气动弹性进行了仿真分析,并得出了相应的结论。     

基于闭环准则的LQG/LTR飞行控制律优化设计

针对LQG/LTR飞行控制律设计中加权矩阵的选取问题,提出了一种基于闭环准则的LQG/LTR飞行控制律优化设计方法。以俯仰姿态控制律优化设计为例,首先基于闭环准则选取了满足一级飞行品质要求的参考模型,并基于该参考模型使用粒子群优化算法优化得到了两个加权矩阵,从而得到了卡尔曼滤波器和相应的目标反馈回路。进而借鉴飞机等效系统拟配的方法,优化得到了另两个加权矩阵,从而得到了LQG最优控制器,完成了回路传递恢复的优化设计。仿真结果表明,通过该方法能够快速自动地选取合适的加权矩阵,使得优化设计的LQG/LTR飞行控制律较好地满足了俯仰姿态控制的要求。     

基于降阶模型的翼型颤振主动抑制研究

为了解决CFD/CSD计算效率低下的问题,基于气动力降阶模型建立开环气动弹性分析系统,耦合操纵面模态对应的气动状态空间方程,发展了一套伺服气动弹性分析系统,设计主动控制律从而进行二维翼型颤振抑制。结果表明,基于ROM计算的无量纲颤振速度准确性及精度高;使用开、闭环气弹系统时基于ROM和CFD分别仿真时域仿真结果吻合较好;基于ROM闭环气弹系统的NACA0012翼型气弹颤振边界比开环气弹系统提高了约20%。研究结果为有效抑制翼型颤振提供一种快速计算和设计方法。     

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。     

直升机多模态控制律的全飞行包线设计

根据直升机飞行模态的特点,提出了一种的内／外回路控制结构,将不同飞行模态通过内／外回路结构有机地联系起来,不仅简化了直升机多模态控制律的设计,还简化了模态转换的控制器结构。最后,用这种结构将直升机多模态控制律的全飞行包线设计分解为内回路的控制器切换和外回路的模态转换,设计思路避免了传统的增益调参。     

控制面间隙对非线性二元机翼气动弹性响应的影响

采用Theodorsen非定常气动力建立同时含有俯仰立方非线性和控制面间隙非线性二元机翼的运动方程,并以状态空间形式描述。基于状态依赖Riccati方程控制方法,设计了非线性颤振控制律。综合运用Runge-Kutta数值方法与Henon方法,研究了控制面间隙对系统开环/闭环响应的影响。其中Henon方法用以准确快速地确定间隙非线性的转折点,从而可以避免间隙非线性引起的数值不稳定现象。仿真结果显示,俯仰立方非线性可以使间隙非线性系统产生振幅稳定的极限环振荡;控制面间隙对开环响应的影响随着来流速度的升高而减弱;在速度较高的情况下,控制面间隙导致闭环系统响应产生过阻尼现象。     

动力增升对翼身融合飞机沉降特性的改善

翼身融合体飞机起降阶段的“沉降问题”是影响该类布局飞行安全的典型问题，为此提出了一种将动力风扇竖直嵌入机翼中的动力增升方案。分析了动力增升系统对飞行的气动影响，提出了动力增升系统的匹配设计和评价方法，探讨了动力增升系统布局的主要约束。在综合考虑动力增升系统推质比、俯仰力矩配平以及操稳特性等限制因素基础上，基于示例翼身融合体无人机，匹配设计了动力增升系统及其布局方案，针对过渡飞行状态设计了姿态稳定控制律。飞行试验表明:使用动力增升能缓解进近阶段升降舵操纵所引起的下沉率突增与高度沉降现象，同时可将验证机的起、降速度降低20%以上，且该方案易于在小型翼身融合体飞机上实现。      

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.     

三角翼机翼摇滚主动控制多学科耦合数值模拟

细长机身和大后掠机翼气动构型的飞行器大攻角飞行时,由于缺少横向阻尼,易发生以绕体轴滚转振动为主的摇滚运动,飞行安全受到严重威胁。针对三角翼摇滚问题,采用动网格技术,建立了气动、运动和控制多学科耦合的数值模拟方法。通过耦合非定常Navier-Stokes方程、刚体运动方程和经典控制律,采用控制面差动偏转的方式对三角翼摇滚主动控制过程进行了数值模拟,并分析了不同控制状态下三角翼受控滚转的运动特性。在来流马赫数为0.3的条件下,实现了80°后掠三角翼摇滚现象的有效控制。     

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。     

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.     

倾转旋翼机气动弹性稳定性研究进展

文中从分析模型入手,对倾转旋翼/动力舱回转颤振及旋翼/动力舱/机翼气弹稳定性分析进行了概述,包括飞行参数及设计参数对气弹稳定性的影响等,并对气弹稳定性的风洞试验及飞行试验进行了介绍,对于开展倾转旋翼机气弹稳定性研究起到一定的引导作用。     

舵面特性对飞翼构型作战飞机短周期品质的影响

 飞翼构型作战飞机采用无尾翼身融合布局,由于取消了平尾,使其稳定性及阻尼特性下降,需要操纵面具有良好的舵面特性才能保证其获得满意的飞行品质。采用3种不同的短周期飞行品质评定方法,评定小展弦比飞翼构型飞机在不同舵面特性组合情况下的飞行品质,并总结了舵面特性与短周期飞行品质等级间的关系,给出了依据操纵导数和舵面偏转速率大小所划分的品质优劣边界。结果表明,舵面特性变差将导致飞翼构型飞机的短周期飞行品质恶化。研究方法及结果可用于指导此类新布局飞机的初步设计和飞行品质的评定。     

Sliding mode control design for oblique wing aircraft in wing skewing process

When the wing of Oblique Wing Aircraft (OWA) is skewed, the center of gravity, inertia and aerodynamic characteristics of the aircraft all significantly change, causing an undesirable flight dynamic response, affecting the flying qualities, and even endangering the flight safety. In this study, the dynamic response of an OWA in the wing skewing process is simulated, showing that the three-axis movements of the OWA are highly coupled and present nonlinear characteristics during the wing skewing. As the roll control efficiency of the aileron decreases due to the shortened control arm in an oblique configuration, the all-moving horizontal tail is used for additional roll and the control allocation is performed based on minimum control energy. Given the properties of pitch-roll-yaw coupling and control input and state coupling, and the difficulty of establishing an accurate aerodynamic model in the wing skewing process due to unsteady aerodynamic force, a multi-loop sliding mode controller is formulated by the time-scale separation method. The closed-loop simulation results show that the asymmetric aerodynamics can be balanced and that the velocity and altitude of the aircraft maintain stable, which means that a smooth transition is obtained during the OWA’s wing skewing.     

先进战斗机纵向飞行特性与放宽静稳定度研究

放宽静稳定度在先进战斗机设计领域已获得广泛应用,与其相关的主动控制技术仍有进一步研究的价值,需要对放宽静稳定度对飞机纵向飞行性能的影响进行更全面的分析。以重心后移作为放宽静稳定度的方式,分析放宽静稳定度与某型战斗机俯仰力矩系数的关系,构建战斗机非线性模型并进行开环特性分析,在此基础上,分析放宽静稳定度对飞机运行平衡点的影响机理,对战斗机非线性模型进行线性化,并分析放宽静稳定度对飞机纵向线性模型阶跃响应特性和长短周期模态特性的影响。结果表明：放宽静稳定度可增大战斗机的俯仰力矩系数,提高飞机性能,但可能会使飞机本体模态特性变差,需要在设计控制率时予以考虑。