高速自旋飞行器气动参数辨识

根据高速自旋飞行器运动的特点，发展了气动参数辨识的一种数学模型，辨识参数包括静态气动导数、气动阻尼导数和马格努斯力矩导数等。仿真算例证实了该数学模型的有效性。应用该数学模型分析处理了某高速自旋飞行器的飞行试验数据．辨识获得了其主要气动参数，并分析了若干常见误差源对气动参数辨识结果的影响。     

一种临近空间飞行器静/动态气动特性研究

临近空间飞行器典型气动布局给其气动特性尤其是飞行稳定性带来诸多问题,危及飞行安全。为此,针对类HTV-2飞行器布局方案,开展了高超声速飞行时的气动特性研究。通过数值计算和试验结果的对比可见,两者具有较好的一致性,同时看出飞行器具有较高的升阻比,纵横向为静态稳定,并且给出了气动特性在不同飞行速度和高度条件下的变化规律;飞行器单自由度运动具有动态稳定性特性,但是通过风洞试验进行的两自由度耦合运动动态特性试验可以看出,在强迫俯仰运动下滚转出现振荡运动。     

离散RCS的PWPF调制方式改进及混合控制逻辑设计

可重复使用飞行器(RLV)再入控制常涉及离散的反推力控制系统(RCS)和连续的气动舵面的混合控制,其中避免离散RCS出现极限环振荡和混合控制的逻辑是设计的关键问题。为此,对应用脉宽脉频(PWPF)调制的离散RCS进行极限环振荡行为的离散描述函数法预测,推导极限环出现条件,设计了一种前置非对称死区环节规避极限环而不损失性能,在此基础上提出便于工程应用的RCS与气动舵面混合控制逻辑。通过对典型飞行器的控制仿真验证表明,改进的离散RCS的PWPF调制方式及设计的混合控制逻辑能够获得良好的控制效果,满足控制要求。     

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.     

低雷诺数下二维翼型层流分离颤振特性

低雷诺数范围内的层流分离颤振现象伴随着强气动非线性和复杂的黏性效应,因此对该现象进行预测和分析具有很高的难度。层流分离颤振会显著地影响部分飞行生物和微型飞行器的飞行稳定性,所以有必要探究其触发和维持振动的机制,以便可以在飞行中抑制甚至避免该类型颤振的发生。采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和γ-Re_(θt)转捩模型对翼型表面的复杂黏性流动现象进行数值模拟,通过耦合结构运动方程,建立时域气动弹性分析方法,其中结构运动方程采用基于预估-校正技术的四阶隐式Adams线性多步法进行时域推进求解。采用该气动弹性分析方法对NACA0012翼型的层流分离颤振响应进行数值模拟,结果表明,该方法可以准确地模拟层流分离颤振现象。对不同湍流度下的层流分离颤振特性进行对比研究,结合瞬时流场结果分析,发现层流分离是触发和维持层流分离颤振的主要因素,高频的尾涡脱落仅增加了气动的非线性,而湍流对此类极限环振荡(LCO)具有一定程度的抑制作用。对比具有不同厚度和弯度的翼型的层流分离颤振响应,发现适当地减小翼型厚度或者增大翼型弯度可以抑制层流分离颤振。     

极限环振荡和飞行颤振试验

极限环振器（ＬＣＯ）是在飞行颤振试验及相关的试验中出现的一种振荡现象,是在所承受周期性作用力的结构,控制面或外挂物上发生的,其振幅既不随时间增加（发散）,也不减少。该现象可能是严格的气道问题（颤振）,也可能包括自动飞行控制系统的动力学特性（本文中未提到）,或者可能是两种问题的结合（气动伺服弹性）。由于在飞行状态下,从小的正阻尼运动变化到小的负阻尼所需的变化可能非常小,所以,从ＬＣＯ快速进入发散状态     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

飞行器失稳平面振荡运动的物理机制

基于全局亚迭代耦合求解非定常流体动力学方程和刚体动力学方程(CFD/RBD),研究动不稳定飞行器在自由俯仰与自由沉浮二自由度下自激发平面失稳运动的非定常特征。数值研究表明:超声速锥-柱-裙飞行器的平面失稳运动发展为极限环形式,并伴随着波系结构非定常变化;平面运动保持了自由俯仰基本运动特征,但同步自由沉浮使得极限环周期运动的振幅更小、频率更快;平面自由运动中飞行器绕靠近头部的"不动点"转动。基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型。多尺度近似分析(MTS)获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关;模型分析证实了平面自由运动的"不动点"现象并自洽地解释了沉浮自由度存在使得极限环振幅变小的动力学机制。非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性。     

非线性气动恢复力与飞行器动稳定性

复杂流动中,飞行器非定常气动数值计算后的参数辨识、飞行器模型的风洞定常测量、风洞动态(风洞自由飞)测量均显示了飞行器非线性气动刚度项(气动恢复力项、如俯仰力矩 攻角曲线Cm θ)将出现局部静不稳定( Cm/ θ>0)。　　飞行器气动恢复力对运动稳定性影响以往讨论较少,本文讨论了非线性气动恢复力局部出现静不稳定条件下的动稳定特性,其特点是突跃性、单边性与不确定性。飞行器飞行遥测数据分析支持了上述动稳定特性的描述。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

飞行器双自由度耦合振荡的数值模拟方法

针对模拟双自由度(2DOF)运动的"PQR"强迫振荡试验装置,通过坐标变换,将机构运动转化为空间欧拉角进行表示,实现对机构俯仰/偏航、俯仰/滚转和偏航/滚转等3种耦合运动的统一描述,采用预定运动轨迹的动网格计算技术,构造了基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的飞行器双自由度振荡数值模拟方法。围绕某复杂构型飞行器低速流动,在模型迎角10°、滚转角±40°、偏航角±40°振荡预设条件下分别对单自由度偏航、滚转振荡和双自由度偏航/滚转振荡进行了模拟,得到的气动系数迟滞回线在形态和量值上与风洞试验结果吻合,证明当前方法可以作为飞行器复杂耦合运动的一种有效研究手段。针对偏航/滚转耦合振荡,从运动形式和气动特性上与单独偏航、滚转运动进行了对比分析,结果表明,耦合运动在气流角、绕体轴的旋转角速度等方面与单自由度叠加效果不同,力矩系数迟滞回线存在曲线交叉的现象,表现出与单自由度振荡不同的阻尼特性。在当前模拟状态下,偏航/滚转振荡流场以横向分离涡运动为主要特征,可以推测大迎角情况下纵横向分离涡流动结构更加复杂,耦合作用更强,需要进一步在分离流模拟方法上开展研究。     

Numerical studies of a non-linear aeroelastic system with plunging and pitching freeplays in supersonic/hypersonic regimes

The flutter and post flutter of a two-dimensional double-wedge lifting surface with combined freeplay and cubic stiffness nonlinearities in both plunging and pitching degrees-of-freedom operating in supersonic/hypersonic flight speed regimes have been analyzed. In addition to the structural nonlinearities, the third-order piston theory aerodynamics is used to evaluate the unsteady non-linear aerodynamic force and moment. Such model accounts for stiffness and damping contributions produced by the aerodynamic loads. Responses involving limit cycle oscillation and chaotic motion are observed over a large number of parameters that characterizes the aeroelastic system. Results of the present study show that the freeplay in the pitching degree-of-freedom and soft/hard cubic stiffness in the pitching and plunging degrees-of-freedom have significant effects on the LCOs exhibited by the aeroelastic system in the supersonic/hypersonic flight speed regimes. The simulations also show that the aeroelastic system behavior is greatly affected by physical structural parameters, such as the radius of gyration and the frequency ratio, especially in post-flutter regimes, when accounting for all system nonlinearities. It has been shown that at high Mach numbers the non-linear aerodynamic stiffness yields detrimental effects from the aeroelastic point of view, while the damping one do not.     

空气动力迟滞引起飞机横航向极限环振荡的一种近似解法

 本文给出近似解析公式,确定空气动力迟滞引起的飞机横航向极限环振荡特性。计算表明,它与文献[1、2]中提出的数值迭代法求得的结果相当一致,并消除了该文中求出的滚转迟滞引起的滚转速率极限环振荡振幅不是最大幅值的缺陷。     

间隙约束二元翼段系统分岔与多解共存现象分析

研究了分段刚度描述的间隙约束二元翼段气动弹性系统,取俯仰角最大幅值处为类Poincaré截面,数值计算得到了系统随飞行速度变化的分岔图,发现飞行速度在Ma=0.71~0.75属于跨临界颤振区,而在Ma=0.75~0.95发生极限环震荡.同时通过构造极限环震荡的四维Poincaré映射分析了极限环震荡的稳定性,结合稳定性和运动流形理论,得到极限环震荡的吸引域一般位于极限环内部并用数值方法进行了验证.且跨临界颤振速度区域中存在多种分岔形式以及多解共存现象,例如由双周期运动直接通向混沌、多周期运动与双周期运动共存现象,振动幅值也存在跳跃现象.     

续航型无人机动力学设计特点分析

针对续航型无人机的任务需求和总体特点，从稳定性、指令跟踪精度、大气紊流及其它扰动抑制能力等方面，仔细分析了纵向和横侧动力学设计容易出现的问题，其中包括沉浮模态频率较大而阻尼比可能不足、高度控制器设计模型的近似要求、在反操纵区因为轨迹稳定丧失和非最小相位零点的存在导致基于俯仰角调节系统方案的不合适性、螺旋镇定和偏航姿态控制系统振荡及其非最小相位特性等；并提供了相应的解决方案，其中特别强调面向任务和动力学机理分析，以尽量获得简单而实用的方案。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

飞机大振幅滚转运动动态气动特性实验研究

在南航NH-2低速风洞中,对BJ-1飞机模型动态气动特性进行了实验研究.模型在不同攻角、不同振幅和不同频率时绕体轴作大振幅滚转运动,测量了模型的动态气动特性,着重分析了模型不同运动参数对模型滚转力矩和偏航力矩的影响.结果表明,模型攻角从小到大变化过程中,模型的滚转阻尼和偏航阻尼变化很大,滚转力矩和偏航力矩迟滞环变化方向发生改变.模型滚转频率对模型的滚转阻尼和偏航阻尼影响不明显,只改变力矩迟滞环的大小.随着模型振幅增加,滚转力矩和偏航力矩迟滞环从一个变成3个,出现2个交叉点,大滚转角时滚转阻尼和偏航阻尼特性与小滚转角时的相反.     

Smart flight control surfaces with microelectromechanical systems

Pitch, roll, and yaw moments can be developed by deflecting and changing the geometry of control surfaces. In this paper, smart flight control surfaces are designed using multi-node microelectromechanical systems (MEMS) to displace control surfaces and change the surface geometry. These MEMS augment translational motion microstructures (actuators-sensors), controlling/signal processing integrated circuits (ICs), radiating energy devices and antennas. The desired pitch, roll, and yaw moments are produced, drag can be reduced, and unsteady aerodynamic flows are controlled by smart flight control surfaces. That is, we achieve aerodynamic moment and active flow control capabilities. The major objective here is to report fundamental and applied research in design of smart flight control surfaces with MEMS-based actuator-sensor-IC arrays controlled by hierarchical distributed systems. We demonstrate the feasibility and effectiveness of the application of smart flight control surfaces for coordinated longitudinal and lateral vehicle control     

带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究

为研究迎角对钨杆斜侵过程的影响,开展了带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究。仿真中采用SPH方法,Shock状态方程和Steinberg本构模型。钨杆共有两种尺寸,分别为Φ10mm×23mm和Φ10mm×46mm。铝板厚10mm,撞击速度为2km/s,撞击角度为60°。为简化分析,将迎角分解为俯仰角和偏航角,其中俯仰角范围为-90°～90°,偏航角范围为0°～90°。对钨杆侵彻过程的分析结果表明：斜侵彻存在临界迎角,在临界迎角范围内钨杆所受力矩可忽略不计;在临界迎角范围外,钨杆将发生弯曲甚至折断。对钨杆的剩余质量分析结果表明：当偏航角为0°且钨杆未折断时,剩余质量只在较小的范围内变化;当俯仰角为0°时,剩余质量随迎角增加线性减小。对钨杆的剩余速度分析结果表明：偏航角对剩余速度的影响与俯仰角对剩余速度的影响基本一致,剩余速度曲线关于0°迎角基本对称。根据仿真结果,采用曲线拟合的方法给出了钨杆斜侵彻铝板的剩余速度经验公式。     

Novel roll effector based on zero-mass-flux dual synthetic jets and its flight test

The autonomous and controllable Dual Synthetic Jet Actuator (DSJA) is firstly integrated into the Unmanned Aerial Vehicle (UAV), and flight tests without the deflection of rudders are carried out to verify the viability of DSJA to control the attitudes of UAV during cruising. DSJA is improved into an actuator with two diaphragms and three cavities, which has higher energy levels. Actuators, differentially distributed on both sides of the wings, are installed on the trailing edge close to the wing tips. Flight tests, containing Differential Circulation Control (DCC) using double-side actuators, Positive Circulation Control (PCC) using left-side actuators and Negative Circulation Control (NCC) using right-side actuators, are implemented at cruising speed of 25 m/s. Results show that roll attitude control without rudders could be realized by DSJAs. DCC and NCC can generate the rightward roll and yaw angular velocity, prompting UAV to turn right. The stronger controlling ability can be achieved by DCC, with the maximum roll angular velocity of 15.62 (°)/s. PCC can generate a rightward roll moment, but a leftward yaw moment will be produced at the same time. Leftward yaw induces the leftward rolling moment, which weakens the roll control effect, making UAV keep to yaw to the left with a small slope.