无人作战飞机空中加油建模与近距机动控制律设计

针对无人作战飞机(UCAV)空中加油时存在加油机尾流干扰导致相对位置难以保持的问题,基于等效气动效应法建立了UCAV动力学模型,并设计了近距机动最优飞行控制律。将加油机尾流对UCAV的影响等效为平均风速度和风梯度,计算出附加于UCAV的诱导力系数和诱导力矩系数,建立了含尾流扰动的受油机模型。以位置跟踪误差的积分为增广状态,基于加权二次型性能指标设计了近距机动最优飞行控制律。仿真结果表明,UCAV模型能真实地体现尾流对受油机的影响,并通过设计的近距机动控制律可有效实现对加油机相对位置的精确跟踪。     

无人作战飞机空中加油建模与近距机动控制律设计

针对无人作战飞机(UCAV)空中加油时存在加油机尾流干扰导致相对位置难以保持的问题,基于等效气动效应法建立了UCAV动力学模型,并设计了近距机动最优飞行控制律.将加油机尾流对UCAV的影响等效为平均风速度和风梯度,计算出附加于UCAV的诱导力系数和诱导力矩系数,建立了含尾流扰动的受油机模型.以位置跟踪误差的积分为增广状态,基于加权二次型性能指标设计了近距机动最优飞行控制律.仿真结果表明,UCAV模型能真实地体现尾流对受油机的影响,并通过设计的近距机动控制律可有效实现对加油机相对位置的精确跟踪.     

近距编队飞行气动影响建模与分析

针对近距编队飞行面临的相互气动影响问题,采用等效气动效应法建立了尾流气动影响的等效模型.该模型可引入编队飞行六自由度方程.通过仿真验证表明,由等效模型计算出的诱导力与诱导力矩和风洞数据具有较好的符合度,等效模型可直接用于编队飞行建模及控制器的设计与仿真.     

基于N-S方程的加油机对受油机气动干扰研究

空中加受油时,加油机尾流场会对受油机产生复杂的流动干扰。采用基于Navier-Stokes（N-S）方程的CFD方法分析加油机尾流场,并对加油机、受油机之间的气动干扰进行一体化模拟研究;系统地分析加油机不同迎角及双机不同高度差、不同侧向距离、不同前后位置时,受油机的纵向、横航向气动力特性。结果表明：典型状态下,加油机迎...     

空中加油变质量建模与干扰补偿控制

为抑制空中加油给飞机带来的变质量影响,将质量的变化等效为对飞机的干扰力和干扰力矩,建立了变质量飞机的一般动力学模型,并经过小扰动线性化得到飞机带干扰的纵向状态方程.采用比例积分观测器(PIO)对干扰进行观测,基于观测值设计了补偿控制器以实现对变质量干扰的抑制.以受油机为例进行计算机仿真,结果表明,该模型有效地反映了变质量受油机的动力学特性,干扰补偿控制器能够实现对变质量受油机的精确控制.     

加油机喷流对受油机的气动干扰机理

针对软式平台(HDB)、软式吊舱(HDP)和硬式平台(FB)3种典型加油方案研究了喷流对加油流场的影响。采用结构化多块网格和雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,通过带涡轮动力模拟器(TPS)和翼身组合体构型DLR-F6对数值方法进行了验证。通过对3种典型的空中加油方案进行数值模拟,并和不考虑喷流效应的空中加油流场进行对比,详细研究了不同加油方案中加油机喷流对受油机气动特性的干扰作用。结果表明:受油机升力系数、阻力系数以及低头力矩与无喷流相比均有增大。受油机在硬式平台加油方案中受喷流影响最小,但其横航向气动特性在软式吊舱加油方案中受加油机喷流影响较大。喷流对受油机的气动干扰主要表现在提高受油机来流动压、改变局部迎角以及对周边气流的引射作用,这些因素会导致受油机表面压力与无喷流相比发生较大变化。其中,局部迎角的改变是由喷流的加速效应及其对尾涡的耗散作用导致的。     

受油机指定时间姿态稳定控制

针对空中加油任务受油阶段受油机姿态稳定的需求,考虑受油机时变转动惯量、不确定转动惯量和风干扰的影响,提出了一种受油机指定时间姿态稳定控制策略.首先,建立了含时变转动惯量、内部不确定性和外部扰动下的受油机姿态动力学和运动学模型;其次,为了提高姿态稳定的快速性和确定性,使用指定时间稳定理论作为基础,设计了受油机姿态稳定鲁棒...     

插头锥管式受油机纵向飞行控制研究

分析了空中加油对接过程中受油机受到的各种扰动,阐述了插头锥管加油方式受油机的纵向飞行控制原理。在此基础上,采用μ方法设计了受油机的纵向鲁棒飞行控制律。受油机俯仰角指令的响应结果表明,系统具有较好的跟踪能力和干扰抑制能力。     

受油机受油杆气动噪声辐射特性研究

用声偶极子源模型来描述受油机受油杆在空中飞行时产生的气动噪声，并研究其在空间的辐射特性，在此基础上，计算了某受油机受油杆在空中飞行时产生的气动噪声向空间的辐射大小，同时比较了圆形剖面和椭圆形剖面受油杆产生噪声的大小，该研究可为受油杆外形设计和声学设计提供理论依据。     

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素，通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应，但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性，基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型，以NREL 5MW风力机为研究对象，在额定风速条件下，研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上，对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大，同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小，并加快速度亏损恢复，降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果，使得尾流抬升，作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著，而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围。在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术。通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式。研究表明：在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值。     

The effect of HHC on the vortex convection in the wake of a helicopter rotor

Based on wind tunnel data the origin and the influence of active rotor control on the wake geometry in the rotor disk are determined. The test data show that the changes in blade-vortex interaction locations due to higher harmonic control are not primarily caused by different blade motions but mainly from different vortex flight paths. Using combined momentum and blade element theory, a model for the induced velocities caused by higher harmonic control is derived. The integration of the vortex flight path within this induced velocity field provides displacements of the vortices that lead to significant changes in the blade-vortex interaction locations. The results are validated by wind tunnel data, and it is proven that the influence of higher harmonic control on vortex geometry and therewith the noise emission characteristics can be predicted using this methodology. Thus the time consuming procedure of computing the wake geometry by free-wake analysis may be omitted for parameter variation studies, since the wake geometry can be predicted approximately in advance.     

Simulation Environment for Machine Vision Based Aerial Refueling for UAVs

The design of a simulation environment is described for a machine vision (MV)-based approach for the problem of aerial refueling (AR) for unmanned aerial vehicles (UAVs) using the USAF refueling method. MV-based algorithms are implemented within the proposed scheme to detect the relative position and orientation between the UAV and the tanker. Within this effort, techniques and algorithms for the visualization the tanker aircraft in a virtual reality (VR) setting, for the acquisition of the tanker image, for the feature extraction (FE) from the acquired image, for the feature matching (FM) of the features, for the tanker-UAV pose estimation (PE) have been developed and extensively tested in closed-loop simulations. Detailed mathematical models of the tanker and UAV dynamics, refueling boom, turbulence, wind gusts, and tanker's wake effects, along with the UAV docking control laws have been implemented within the simulation environment. This paper also presents the results of a study relative to the use of passive markers versus feature extraction for the problem of estimating in real time the UAV-tanker relative position and orientation vectors.     

风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

第二代低阶面元法耦合自由尾迹计算旋翼桨叶气动载荷

采用第二代低阶面元法耦合自由尾迹预估修正法计算旋翼在轴流状态下的气动载荷。在计算中考虑桨叶的三维几何特性,采用矩形、三角形单位平面重构桨叶几何外形;桨叶尾迹采用全展尾迹,其中包括三圈自由尾迹(近尾迹)和四圈远尾迹;并利用桨叶翼型风洞试验数据对气动载荷进行粘性修正。通过和CFD方法进行对比分析,证明了所采用的计算方法的优点。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

风洞模型-支撑系统涡激振动测量与分析

以0.55m×0.4m低湍流航空声学风洞某模型及其支撑系统为研究对象,采用基于加速度传感器直接测量支撑系统和热线间接测量模型尾流相结合的方法,测量并分析了风洞模型-支撑系统的涡激振动模态,给出了测量方案和数据处理方法。采用基于加速度传感器的功率谱分析方法,获得了模型-支撑系统的三阶振动频率分别为31.1、120.9和221.4Hz;采用基于加速度传感器的频域滤波和频域积分方法,提高了有效信号的信噪比,获得了模型-支撑系统振动的振型和振动节点位置;采用热线测量模型尾流分离涡脱落频率的方法,获得了模型一阶和二阶振动的尾流涡激频率分别为31.1和124.1Hz,并从测量尾流速度脉动量获得了模型振幅变化和抖振边界信息。实验结果表明,采用热线测量模型尾流从而分析模型振动的方法,有利于小尺度的模型振动测量,而且相对于加速度传感器装于模型表面的直接测量方法而言,对试验模型的绕流流场干扰较小,为测量风洞试验模型的涡激振动模态提供了一种方法。     

小型无人飞行器风场扰动自适应控制方法

针对小型无人飞行器在执行任务时传感器测量精度低、受风场扰动影响大的问题,提出了一种利用矢量域与滑模控制相结合的复合控制方式,有效地实现了对小型无人飞行器的轨迹与航向的自适应跟踪。将复杂航迹分解为直线段与圆弧段分别构建矢量域,从而确定基于位置误差的航迹信息,并通过机载传感器获得状态和位置信息,利用滑模控制方法抑制风场扰动对小型无人飞行器的影响。试验结果表明,本文提出的控制算法能够保证阵风干扰情况下小型无人飞行器的航迹控制精度,同时具有良好的动态响应。     

升力面方法在冲压空气涡轮性能计算中的应用

应用现代螺旋桨升力面元方法计算冲压空气涡轮的气动性能,叶片采用单层涡模型,尾涡采用与Goldstein假设一致的刚性尾涡,将螺旋马蹄尾涡视为开口涡环以便于编程。对一个模型冲压空气涡轮作数值计算,在小负荷和较大负荷工况下风能利用系数均与实验值符合的较好,涡元控制点的诱导速度和环量分布合理。      

柔性自适应壁风洞的翼型实验技术

给出一种新的二维跨音速柔性自适应壁风洞实验迭代方案,计算方法和实验验证结果。根据实验时实验段上下壁和模型上下表面实测压强分布对风洞内、外流场进行非线性数值模拟;计算流线化壁面的形状,进行自适应实验。用该迭代方案,在堵塞比ε=8％,实验段高与翼型弦长比值H/c=1.5情况下,对NACA-0012翼型进行了高亚音速验证性实验。实验结果与国外大风洞无干扰实验结果吻合很好。实验时迭代次数仅需1～2次。实验结果展示了自适应壁风洞实验技术用于翼型跨音速实验的前景。