一种空中加油可变阻尼稳定伞设计及性能分析

为了突破传统空中加油稳定伞对于加油机飞行速度和高度的限制,设计了一种加装气动弹性支架的可变阻尼稳定伞。通过流固耦合(FSI)数值模拟,得到不同工况下的片状弹簧变形与稳定伞伞面形状,通过计算流体动力学(CFD)得到稳定伞气动力的变化趋势。根据气动力结果计算软管的拖拽形状及锥套下沉量。仿真结果表明:所设计的可变阻尼稳定伞的阻力变化量和锥套在空中位置变化范围分别降至传统稳定伞的70%和60%,能够实现阻力的自适应控制,拓宽了传统结构稳定伞适用的速度、高度范围。      

软管弯矩对空中加油软管-锥套建模影响分析

空中加油对接过程中,对软管-锥套的动力学行为的研究是空中加油过程建模的关键之一。为研究软管弯矩对软管-锥套系统动力学建模的影响,基于多刚体动力学,在质量-弹簧阻尼模型的基础上,建立了一种包含软管的弯曲和线弹性特性的动力学模型,分析了弯矩对软管影响的机理以及不同情况下弯矩对锥套扰动的影响。数值仿真结果验证了弯矩因素对软管-锥套系统动力学建模的必要性。     

大气紊流对空中加油软管锥套运动的影响

为研究大气紊流对软管锥套运动的影响,将空中加油软管质点离散化,从软管、稳定伞空间受力出发,建立了软管锥套的动力学模型,并对其运动进行了仿真计算和分析。仿真结果表明,在晴空大气紊流作用下,锥套会产生高频振荡。高度一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机速度的增大而减小;真速一定,加油机高度小于11 km时,锥套运动幅值和高度没有单一的线性关系,当高度大于11 km后,锥套运动幅值随高度的增加而减小;表速一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机高度的增大而减小。     

空中加油对接过程软管-锥套动态特性

建立了加油软管-锥套系统的动态数学模型,并利用该模型进行空中加油对接过程模拟.在加油机尾流场中,根据牛顿运动定律,推导定长度软管-锥套系统的运动学方程和动力学方程;建立了变长度的软管-锥套模型来控制对接过程软管-锥套的稳定性,对软管-锥套动态特性进行了分析.在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,在不同的飞行条件下对模型进行数字仿真验证.仿真结果与国内外公开试飞数据相吻合,验证了模型的正确性.所建模型可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等.     

仿鹰眼-中脑机制的无人机空中加油显著性检测

空中加油是提高无人机（UAV）空中持续作战能力的重要技术，其中对加油锥套的检测和识别是实现空中加油的首要任务。针对空中加油快速、准确的目标检测难题，结合鹰眼敏锐的视觉机制，设计了一种仿鹰眼-中脑机制的显著性检测算法，采用仿鹰眼颜色拮抗和明暗适应机制模型从加油锥套视频序列中提取多通道图像特征，为适应锥套在图像中的面积，模拟仿鹰中脑网络门控机制对多通道特征显著图进行空间门控处理，模拟仿鹰中脑网络增益机制对显著图进行增强处理。通过公开数据集和空中加油试飞数据集分别进行了测试，仿真对比实验结果验证了所提出的显著性检测算法可在设定显著目标面积占比的条件下有效抑制背景影响，并能检测到空中加油的锥套目标。     

典型弹道升力式火星进入器性能比较分析

进入器的减速效率和着陆精度是火星进入、下降、着陆过程的关键问题,利用数值方法分析了火星科学实验室、"龙飞船"和"猎户座"飞船三种典型弹道升力式火星进入器的气动特性和进入轨迹,研究气动参数、进入姿态和进入器质量等参数偏差对开伞状态的影响,比较典型弹道升力式火星进入器气动特性和着陆性能,讨论几何构型对弹道升力式火星进入器性能的影响。研究结果表明:钝锥前体外形可以产生更高的阻力系数,但与球冠大底相比气动热环境也更严酷;同样的进入条件的前提下,三种进入器进入过程的最大过载和开伞高度相差不大,"龙飞船"的开伞动压相对较低,有利于降低减速伞系的开伞载荷。相关研究结论可为我国后续火星探测任务进入器气动外形设计提供有益参考。     

环片数量对环帆伞气动性能的影响

为探究环片数量对环帆伞气动性能的影响,文章基于 CFD方法对某环帆伞流场开展了定常三维数值模拟,采用有限体积法求解不可压缩 Navier-Stokes控制方程来模拟外部流场,获得了该伞的气动参数与绕流流场分布。通过数值结果与空投试验结果对比,验证了数值方法的准确性。在不改变伞衣名义面积和环帆高度比的前提下,分别针对定结构透气量和变结构透气量开展了环片数量对气动性能的影响研究,结果表明:定结构透气性下,环片数量对伞衣阻力性能和气动静稳定性的影响很小;变结构透气性下,环片数量通过影响透气量、尾涡分布等因素进一步影响环帆伞稳定性。上述结果对环帆伞的设计有一定参考意义。     

冲压翼伞流场与气动操纵特性的数值模拟

采用有限体积法求解shear stress transport(SST) k-ω二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)控制方程,对冲压翼伞的气动特性进行数值模拟,分析翼伞的流场机理和气动操纵特性.模拟得到的升阻特性与试验数据较吻合,在此基础上分析前缘切口、弧形下反以及稳定幅对升阻特性的影响.通过软件Fluent实现了非定常流动模拟,研究了翼伞的非定常升力特性,其升力系数的脉动受脱体涡的非定常过程影响,当迎角为16°时,翼伞升力变化周期为0.36s.最后分析了翼伞稳定滑翔阶段的纵向静稳定性,相比于单边后缘下拉方式,通过闭合翼伞一侧进气口实现航向操纵更稳定有效.      

基于卷积神经网络的结冰翼型气动特性建模

提出了基于卷积神经网络（CNN）的结冰翼型气动特性预测方法，设计了输入层结冰翼型图像规范，克服了复杂冰形在翼面同一位置法线方向存在多值，单值函数难以描述的问题。预测模型可同时预测多个迎角对应的升阻力系数，实现了直接从冰形图像到气动特性的快速预测，对升力系数和阻力系数预测结果的平均相对误差均可控制在8%以内。重点研究了不同卷积层数量、卷积核数量、卷积核尺寸对模型性能的影响规律：CNN的不同层次特征对应不同滤波频率，卷积层数增加会捕获更多高频特征量；增加卷积核数量可提取更多冰形特征，提升模型性能，但数量过多会增加冗余特征，降低模型泛化性能；阻力系数预测模型对卷积核数量的最低要求大于升力系数，其原因在于，相较升力系数，阻力系数不仅受翼面压差影响，还受摩阻特性影响，其建模所需的关键特征数量多于升力系数；增大卷积核尺寸，可扩大卷积操作“视野”，增强对冰形整体特征信息的提取，有利于提升模型泛化性能。相关结论为飞机结冰气动特性实时动态预测与监测提供了新的思路和方法支撑。     

伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制

针对无可靠陆基/舰基回收平台情况下小型固定翼无人机（UAV）远程作战空基回收难题，提出一种伸缩套臂抓取式空基回收建模与对接控制方法。首先，受硬式空中加油技术启发，提出一种伸缩套臂式抓取无人机空基回收方法，并采用转动惯量质量投影法及拉格朗日方程法构建伸缩套臂仿射非线性模型；继而，分析了母机尾涡及常值风扰动综合作用下伸缩套臂的气动特性；其次，针对伸缩套臂三通道中扰流关联项和不可测瞬变模型扰动构成的系统集总扰动，分别设计了可在有限时间内收敛的非奇异快速终端滑模干扰观测器对其进行准确估计，并在控制器设计中予以前馈补偿；然后，为实现多重扰流下伸缩套臂快速精准空中对接，提出一种基于干扰观测的非奇异快速终端滑模对接控制方法，并分析了闭环系统稳定性。最后，通过仿真验证表明，所提出的方法能够在多重气流扰动下实现伸缩套臂的快速、精准空中对接控制，同时兼备较好的抗干扰性能。     

Modeling and simulation of bow wave effect in probe and drogue aerial refueling

In a probe and drogue aerial refueling system, the bow wave of the receiver aircraft will produce a strong aerodynamic effect on the drogue once the receiver follows the drogue at a close distance. It is a major difficulty of docking control in the probe and drogue refueling. This paper analyses the bow wave effect and presents a simple method to model it. Firstly, the inviscid flow around the receiver is modeled based on the stream function defined by basic stream singularities.Secondly, a correction function is developed to eliminate the error caused by the absence of air viscosity. Then, the aerodynamic coefficients are used to calculate the induced aerodynamic force on the drogue. The obtained model is in an analytical form that can be easily applied to the controller design and the real-time simulations. In the verification part, computational fluid dynamics(CFD)simulation tests are conducted to validate the obtained flow fields and aerodynamic forces. Finally,the modeling method is applied to an F-16 receiver aircraft in a previously developed autonomous aerial refueling simulation system. The simulations results are analyzed and compared with the NASA flight-test data, which demonstrates the effectiveness of the proposed method.     

Drogue detection for autonomous aerial refueling based on convolutional neural networks

Drogue detection is a fundamental issue during the close docking phase of autonomous aerial refueling(AAR). To cope with this issue, a novel and effective method based on deep learning with convolutional neural networks(CNNs) is proposed. In order to ensure its robustness and wide application, a deep learning dataset of images was prepared by utilizing real data of ‘‘Probe and Drogue" aerial refueling, which contains diverse drogues in various environmental conditions without artificial features placed on the drogues. By employing deep learning ideas and graphics processing units(GPUs), a model for drogue detection using a Caffe deep learning framework with CNNs was designed to ensure the method's accuracy and real-time performance. Experiments were conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed method, and results based on real AAR data compare its performance to other methods, validating the accuracy, speed, and robustness of its drogue detection ability.     

先进布局飞机空中加油流场特性分析

针对先进布局飞机空中加油出现的问题,综合考虑加油机的加油区、加油机与受油机之间、吊舱锥套与受油机之间的流场特性,对先进布局飞机空中加油中遇到的流场进行了分析.通过理论分析和试飞验证,总结出一套切实可行的先进布局飞机空中对接加油试飞方法.     

空中加油对接过程的动力学建模与仿真

空中加油的成功与否主要依赖于加油锥套与受油插头的顺利对接,对对接过程中产生的动力学行为的研究是实现顺利对接的前提。利用多刚体系统动力学建立对接过程的动力学模型,求解出加油锥套与受油装置间的广义速度;并依据建立的接触动力学模型,得到局部接触点间的相对速度。基于非线性连续碰撞理论,提出对接过程中碰撞力的计算方法,并在机械系统动力学仿真软件ADAMS的环境下,构建加油锥套和受油装置的对接虚拟样机。通过对虚拟样机的动力学仿真,得到了对接过程中的碰撞力及速度响应曲线,同时,得出能够实现成功对接时各参数的具体范围。结果表明,制约对接成功的主要参数是初始相对速度、加油锥套的俯仰角和相对偏距。该研究对空中加油的对接和受油机的导航控制具有重要的意义。     

空中加受油安全对接控制验证要素分析

空中加受油是一个复杂的系统工程,影响因素与加油机、受油机都密切相关,由于大型加油机(软式) 上单翼、大翼展、高垂尾和大型起落架整流包的特殊布局使得空中编队加受油对接过程中,加油机、软管锥套与 受油机之间相互的气动干扰变得十分复杂。通过分析国内外大型加油机、先进受油机的主要特点,总结空中加 受油对接过程中加油机、受油机之间会产生的气动干扰,研究空中加受油编队典型体系及空中加受油编队程 序,提出可能对空中加受油安全对接控制产生影响的验证要素,并对这些影响要素展开分析。安全对接控制验 证要素的分析可以为后续确定软式空中加受油安全对接流程提供理论指导,为空中加受油对接速度的选取提 供依据。     

分布式涵道风扇喷流对后置机翼的气动性能影响

以分布式电推进（DEP）垂直起降（VTOL）无人机（UAVs）为研究背景,采用基于混合网格技术及k-ω SST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）/动量源方法（MSM）,对分布式涵道风扇-机翼构型的喷流气动特性进行了高精度准定常的数值模拟。通过对涵道单元/涵道-机翼的实验验证了零来流条件下数值计算方法的可靠性和高效性,进而对分布式涵道风扇-机翼构型的气动优势进行了分析讨论,最后对分布式涵道风扇的转速、间距、涵道风扇旋转方向等因素进行了数值模拟。研究表明：相比于单个涵道风扇,分布式涵道风扇通过喷流的耦合作用大大提升了机翼的气动特性;分布式涵道风扇不同转速的喷流对截面翼型的压力分布和周围流场的速度分布影响具有一定的相似性,但具体数值随转速变化;分布式涵道风扇间距的增大会改善涵道风扇单元的拉力特性,机翼的气动特性会随之降低;涵道风扇合理的旋转方向不仅会使得下翼面喷流区域的高压过渡更加平缓,静压数值更加连续,而且内侧涵道风扇也会被外侧喷流所激励,对机翼的升力特性产生更好的诱导效果。     

Real-time drogue recognition and 3D locating for UAV autonomous aerial refueling based on monocular machine vision

Drogue recognition and 3D locating is a key problem during the docking phase of the autonomous aerial refueling(AAR). To solve this problem, a novel and effective method based on monocular vision is presented in this paper. Firstly, by employing computer vision with red-ring-shape feature, a drogue detection and recognition algorithm is proposed to guarantee safety and ensure the robustness to the drogue diversity and the changes in environmental conditions, without using a set of infrared light emitting diodes(LEDs) on the parachute part of the drogue. Secondly, considering camera lens distortion, a monocular vision measurement algorithm for drogue 3D locating is designed to ensure the accuracy and real-time performance of the system,with the drogue attitude provided. Finally, experiments are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed method. Experimental results show the performances of the entire system in contrast with other methods, which validates that the proposed method can recognize and locate the drogue three dimensionally, rapidly and precisely.     

支撑板结构对燃气轮机排气扩压器气动性能影响的数值研究

支撑板结构直接影响燃气轮机排气扩压器的气动性能。采用求解三维RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）的方法，在考虑燃气涡轮末级叶片导致的气流预旋的条件下，探究了支撑板的数目、轴向位置、倾斜角度这三个几何参数对排气扩压器气动性能的影响，并基于正交试验原理，探究了不同几何参数对排气扩压器气动性能影响程度的差异。结果表明：支撑板数目的减少和轴向位置更靠近出口可以有效提升排气扩压器在不同进气预旋下的静压恢复系数，支撑板的倾斜设计在进气预旋小于0.48时，能有效提升排气扩压器的静压恢复系数，但在进气预旋大于0.48后，则会带来不利影响。基于正交试验原理的数值计算则表明，在进气预旋为0.12时，支撑板数目、轴向位置、倾斜角度三个因素变动对排气扩压器静压恢复系数的影响相近，进气预旋为0.35时，三者对静压恢复系数影响的贡献率分别为40.2%，30.9%，7.3%。进气预旋为0.89时，三者的贡献率分别为32.3%，22.2%，19.8%。     

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。