小展弦比飞翼标模纵航向气动特性低速实验研究

对小展弦比飞翼气动布局外形,通过常规测力风洞实验方法得到其纵向气动特性和偏航控制特性,在分析其气动特性后,选取典型的状态采用 PIV 实验方法对其流动机理进行研究,研究表明小展弦比飞翼在较小的迎角下即出现前缘分离涡,随着迎角的增大,前缘分离涡强度增大,且逐渐往机体对称面方向移动,随着迎角进一步增大,分离涡变得不稳定,涡核开始摆动,最终破裂,破裂位置从后缘开始,逐渐前移。对小展弦比飞翼气动布局飞机的控制难点偏航控制进行研究,结果表明该飞翼布局模型在实验迎角范围内偏航方向是静稳定的,在小迎角下具有可操纵性,迎角大于6°后嵌入面处于破裂的前缘涡尾迹之中,操纵性降低。     

非零侧滑角大迎角细长体侧向力控制规律实验研究

通过风洞实验方法研究了非零侧滑角状态下,大迎角细长体模型的侧向力和偏航力矩变化规律。并且应用主动流动控制技术,对非零侧滑角模型的侧向力和偏航力矩加以控制,研究其有效控制的侧滑角范围和控制规律。研究结果表明:在迎角α=55°、侧滑角β=-24°~+24°范围内,改变细长体模型头部微扰动摆振片的平衡周向角位置(有效周向角位置在±16°之间变化),模型侧向力和偏航力矩呈线性变化规律。此项力和力矩线性控制技术为飞行器在大迎角高机动飞行发生侧滑时,实现恢复及保持安全姿态飞行,提供一种有效飞行控制新方法。     

机头颗粒微扰动对战斗机大迎角航向气动特性的影响研究(英文)

本文重点介绍了在机头周向角±45°处的颗粒微扰动对战斗机大迎角航向气动特性的影响进行了数值模拟研究。结果表明:在机头周向角±45°处的颗粒对大迎角下飞机的航向气动特性影响明显,能够使大迎角偏航力矩具有确定的方向。对流场结构分析发现:颗粒所在一侧脱离出明显强于没有颗粒一侧的小涡,从而在机头该侧诱导出更强的分离涡,进而导致了飞机大迎角非对称气动力的出现。     

机头顶点对战斗机大迎角航向气动特性影响研究

就机头微扰动、表面粗糙度、机头顶点形状等因素对战斗机大迎角航向气动特性的影响进行了试验研究。结果表明：大迎角下飞机的航向气动特性对机头表面粗糙度和顶点形状较敏感,不同表面粗糙度和不同机头顶点形状使飞机大迎角下的侧向力和偏航力矩有较大差异,圆头机头对消除和控制飞机在大迎角下的侧向力和偏航力矩效果明显;机头颗粒和顶点细微不对称对大迎角下飞机的航向气动特性微扰动作用明显,使大迎角偏航力矩方向和极值基本确定。     

小展弦比飞翼跨声速典型流动特性研究

小展弦比飞翼标模为国内自主设计的融合体飞翼通用研究模型,前缘后掠角为65°,展弦比为1.54。风洞试验结果表明小展弦比飞翼标模在跨声速迎角4°开始出现非线性升力,在迎角12°至16°范围内会出现升力突然下降、俯仰力矩突然上扬的现象。为了分析该现象的机理,通过数值模拟的方法研究了小展弦比飞翼标模在马赫0.9时的流动特性,分析了前缘涡的产生、发展直至破裂的整个过程,结果表明:小展弦比飞翼标模在迎角4°开始出现涡升力;随着迎角增加,前缘涡逐渐向内侧移动,涡强和背风面激波的强度也逐渐增加,前缘涡与激波发生交叉干扰并达到一个平衡流态;当前缘涡与激波无法维持既有平衡时则会发生涡破裂,流场急剧变化以达到新的平衡,从而导致升力突然下降并产生抬头力矩增量。     

小展弦比飞翼布局飞机横向涡流控制气动机理

为增加小展弦比飞翼布局飞机横向控制效能,设计了可提供飞机滚转力矩的涡流控制方案,在此基础上研究了三角翼前缘非对称垂直喷流对前缘涡破裂位置和结构的影响。应用三维任意坐标系下的雷诺平均N-S方程数值模拟方法和Spalart-Allmaras方程湍流模型,对小展弦比飞翼布局飞机前缘非对称喷流及无喷流情况下的绕流进行了研究分析。结果表明：与无喷流情况相比,喷流速度、喷口压力、飞行迎角的不同造成了涡破裂点的改变以及涡的强度和涡轴位置的变化,这些因素最终引起流场变化,并产生不对称力和力矩;喷流产生的直接力和力矩与飞行状态无太大关系;垂直喷流在进行横向控制同时产生较小的偏航力矩,对阻力的影响也较小。     

机身减速板流动特性研究（英文）

现役高机动战斗机普遍采用机身减速板来减小飞行速度和转弯半径并提高机动能力。采用物面测压及空间流场测量相结合的实验方法,在机身减速板开度60°,机身迎角0°～70°条件下,研究了机身减速板铰链力矩随迎角的变化规律,分析了减速板迎风侧和背风侧的流动结构。研究结果表明：减速板铰链力矩按迎角可分为3个区域：常值区（α=0°～16°）,减速板铰链力矩基本不变,因为减速板迎风侧正压力逐渐减小,而背风侧负压力逐渐增加,两种相反的变化趋势相互抵消。非线性增长区（α=16°～32°）,减速板铰链力矩显著增加,因为减速板铰链力矩主要贡献区为背风侧,该迎角区内减速板背风侧存在一对不断增强的旋涡,背风侧负压力显著增加。在非线性衰减区（α=32°～70°）,减速板铰链力矩在迎角32°～36°范围内急剧减小,因为在迎角36°减速板背风侧旋涡流动变为速度较低的再附流动;减速板铰链力矩在迎角36°～44°范围内逐渐增加,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断增强,导致减速板迎风侧正压力显著增加;减速板铰链力矩在迎角44°～70°范围内逐渐减小,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断减弱直至破裂,导致减速板迎风侧正压力逐渐减小。     

头部鼓包对不同截面机身侧力影响研究

 飞机或导弹在大迎角下飞行时会形成非对称涡，从而产生很大的侧滑力和偏航力矩。为了寻求消除侧滑力和偏航力矩或利用流动的非对称来提供飞机飞行所需的航向控制能力，研究了机头上放置小鼓包对3种不同截面的机身前体模型的影响。研究过程中采用了风洞测力和水洞流动显示的实验方法。结果表明，在20°~70°的迎角范围内，鼓包对圆锥的影响最大，对椭圆截面模型有一定的影响，对带棱截面模型的影响最小。鼓包越靠近前体头部，对侧力的影响越大。对圆锥柱体模型鼓包只能改变侧力最大值出现的迎角，而对减小最大侧力值作用不明显。对椭圆截面模型，可使最大侧力系数从1.98降到0.53，很大程度上降低了侧力。带棱截面模型对鼓包的大小和位置均不敏感。     

双垂尾飞行器偏航力矩非线性变化分析

以典型双垂尾飞行器为研究对象,通过风洞试验研究了模型在不同侧滑角下的偏航力矩特性,计算分析了风速为30m/s、侧滑角为4°时模型随迎角变化的流场及偏航力矩变化特性。试验及计算结果表明模型在侧滑角1°及1°以上、迎角大于10°时偏航力矩出现非线性变化特性,在迎角为0°~25°时,垂尾和机头是全机偏航力矩的主要贡献部件,而垂尾是全机偏航力矩非线性变化的主要原因部件。     

大迎角前体涡控制方法综述

大迎角下飞行器的常规舵面处于机身/弹身的尾涡中,偏航控制能力严重下降。同时,背风侧的非对称涡系导致压力非对称分布,从而诱发出一个几乎与法向力同量级的侧向力,并伴随着很大的偏航力矩。前体涡控制方法可以为细长飞行器提供所需的偏航力矩,在大迎角机动飞行领域具有广阔的应用前景。本文总结了国内外近十年发展的大迎角前体涡控制方面的新方法。其中,被动控制方法包括边界层转捩带、微鼓包、微凹坑、边条、自激振荡旗帜和涡流发生器等;主动控制方法包括等离子体激励器、单孔位微吹气、轴向吹气、合成射流激励器、非定常小摆振片和充气边条等。着重介绍了各种方法的控制效果、机理和适用范围。在这些方法中,涡流发生器、合成射流激励器、非定常小扰动片、等离子体激励器、单孔位微吹气等线性控制方法均有可能提高细长体飞行器大攻角时的机动能力,具有一定的工程应用价值。最后,对大迎角前体涡控制方法的应用前景和未来新的发展方向进行了展望。     

一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法

传统舰载机采用纵杆控制迎角,油门杆控制下滑的着舰控制方式存在着操纵通道功能耦合,航迹与姿态耦合,着舰精度不高等多种不足。受舰尾流扰动、航母甲板运动等不利因素的影响,飞行员需要进行高频次的下滑修正操纵,身心负担极重。针对这一问题,在对美军魔毯技术（MAGIC CARPET）系统构成与着舰过程分析的基础上,针对三翼面布局飞机提出了一种基于多操纵面控制分配的综合直接力控制（IDLC）人工着舰精确控制方法。仿真分析表明：基于特征结构配置（EA）解耦设计直接力着舰控制方法能够实现飞机纵向运动长周期模态与短周期模态的解耦、油门通道与纵杆通道的解耦,具有抑制舰尾流扰动、稳定飞机下滑状态、减小操纵负担的功能;而基于多操纵面控制分配的设计方案通过鸭翼正偏增升,不但充分发挥了三翼面布局飞机气动舵面增升控制的优势,还减小了平尾配平出舵量,在一定程度上减小了平尾上偏所带来的升力损失。     

座舱湿度的模糊控制

旅客机在巡航高度上,机外空气的相对湿度很低,如果不进行加湿,会使舱内相对湿度与机外大气湿度持平,远低于人体耐受范围。长时间处于低湿度环境会使人感到不舒适并带来其他一些生理问题,所以,在旅客机的飞行过程中,对座舱的加湿是必要的。但是空气湿度控制系统是一个复杂的非线性控制问题,采用传统模型比较难建立控制方程。模糊控制正好可以适用于这样的复杂系统。以某客机的一次飞行包线为例,建立了基于模糊控制原理的湿度控制模型,并进行了仿真。仿真结果表明,采用模糊控制的湿度控制系统能够很好地满足舱内湿度的控制要求。     

基于能量的飞机横侧向控制方法研究

结合偏差控制与总能量解耦思想,将总能量控制原理应用于飞机的横侧向控制,实现了滚转与偏航模态解耦及偏航角、侧滑角的无稳差控制。对某型运输机典型飞行状态进行了横侧向解耦控制律设计和仿真,仿真结果表明,基于飞机纵向总能量控制同样能用于飞机的横侧向飞行控制,较好地实现了偏航角和侧滑角的信号跟踪及滚转与偏航模态的解耦。     

环量控制机翼增升及滚转控制特性研究

环量控制作为一种高效的主动流动控制技术,在飞行器的气动改善、姿态控制方面具有巨大潜力。本文设计一套可以实现向下吹气的环量控制装置,并将其应用于飞行器进行气动控制。首先,通过数值模拟选取环量控制参数,同时分析环量控制翼型的气动特性。通过风洞实验,对同尺寸常规舵面模型和带有环量控制装置的模型进行气动力和气动力矩研究;采用粒子图像测速(PIV)技术,对环量控制模型开展流场研究,分析该装置产生气动控制效果的流动机理。测力实验表明吹气系数C_μ=0.04时,环量控制机翼升力最大增加32.4%,滚转力矩最大增加60.3%。PIV测流场实验表明,较高速度的射流使机翼后缘的气流发生了偏转,增加了环量,改变了机翼受力。引入"有效升阻比"的概念,分析环量控制机翼的吹气效率,结果表明,当吹气系数C_μ=0.02时,有效升阻比最大,环量控制机翼的吹气效率最高。     

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。     

基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制

针对四旋翼无人机在系统内部模型参数不确定性情况下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制方法。首先,采用单位四元数来描述系统姿态,将系统分解为位置子系统和姿态子系统;考虑到位置子系统的欠驱动特性,引入了虚拟控制力,跟踪位置信息并解算出实际升力和理想姿态;其次,通过自适应滑模控制器补偿了质量和转动惯量的不确定性,实现了轨迹的跟踪;最后,利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明了算法的有效性。     

飞翼布局无人机反演自抗扰姿态控制

针对飞翼布局无人机模型强非线性、大不确定性及多变量强耦合等问题,设计了基于块控反演控制技术的姿态控制律,并采用自抗扰控制中的线性扩张状态观测器实现了对模型总不确定性的估计。为解决因阻力方向舵舵效非线性以及舵环节指令跟踪延迟造成控制系统动态性能下降的问题,采用函数拟合法解算阻力方向舵舵偏指令,并利用二阶振荡环节对观测器进行抗时滞处理。仿真结果表明,所设计的姿态控制律能够使飞翼布局无人机准确跟踪姿态指令,并具备较强的鲁棒性与良好的动态性能。     

涡轴发动机数控系统控制规律及容错控制

用Simulink仿真工具,建立了某涡轴发动机及执行机构的数学模型,对涡轴发动机数控系统的稳态控制规律、加减速控制规律,关键传感器故障后的容错控制规律进行了仿真研究,提出了涡轴发动机控制的完整解决方案.仿真结果表明,该控制方案能在无故障和有故障的情况下,保证控制系统稳定工作,并具有较好的稳态和动态性能.     

一类控制受限不确定系统的控制分配重构控制

针对一类控制受限的不确定性系统,提出了一种基于控制分配理论的重构控制策略。该重构策略充分考虑了作动器偏转受约束的情形,基于伪逆控制分配算法,利用自适应控制理论和李雅普诺夫稳定理论,设计了控制分配阵的自适应控制律,使得系统在作动器发生饱和的情形下自适应地调节控制分配阵,从而改变作用于作动器的控制指令,完成系统的重构任务。最后以某多操纵面战机模型为算例对算法予以验证,仿真结果表明了算法的合理性。     

Anti-disturbance attitude control of combined spacecraft with enhanced control allocation scheme

In this paper, we propose a novel anti-disturbance attitude control law for combined spacecraft with an improved closed-loop control allocation scheme. More specifically, a saturated approach is adopted to guarantee the global asymptotic stability under control input saturation. To enhance the robustness of the system, a nonlinear disturbance observer is constructed to compensate the disturbances caused by inertial parameter uncertainty and unmodeled dynamics. Next, the quadratic programming algorithm is used to obtain an optimal open-loop control allocation scheme, where both energy consumption and actuator saturation have been considered in the allocation of the virtual control command. Then, a modified closed-loop control allocation scheme is proposed to reduce the allocation error under the actuator uncertainty. Finally, stability analysis of the closed-loop system with the proposed allocation scheme is provided. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed control scheme.