变转速刚性旋翼性能与载荷风洞试验

为研究转速变化对旋翼性能与振动载荷的影响，研制了一副无铰式刚性缩比模型旋翼，开展动力学和马赫数相似的悬停试验与风洞试验。试验研究不同旋翼拉力和吹风速度时变旋翼转速对配平、性能、桨叶与拉杆载荷、桨毂载荷等多个方面的影响，以性能和交变载荷的重复性与周期性证明试验结果是可信的。结果表明：降转速可降低旋翼悬停和前飞状态的需用功率，且拉力越低效果越明显；降转速对桨毂振动载荷影响不明显，但增加了配平所需的周期变距操纵，会增加桨叶与变距拉杆的旋翼转速频率振动载荷，对旋转部件疲劳寿命不利；变旋翼转速应避开旋翼固有频率，防止因共振而导致交变载荷增大。     

变距变转速多轴旋翼飞行器性能分析与试验

分析了制约现有多旋翼无人机性能方面的影响因素,提出通过旋翼变距变转速来改善其飞行性能的方法;综合动态失速、桨叶非定常挥舞与旋翼动态入流模型,建立了旋翼变距与变转速的气动模型,为准确的性能分析奠定基础;研制了变距变转速多旋翼试验样机并进行了飞行试验。试飞试验结果与理论计算结果表明:飞行器随着起飞质量的增加,需用功率明显增加;飞行器在不同起飞质量,不同旋翼转速下的需用功率值理论结果与试飞试验结果对比表明,小起飞质量下的功率计算值与实验值相符程度达到97%,而在大负载下理论计算值与实验值相符程度也在95%左右,证明了理论分析方法能较好的预估飞行器的气动特性和性能指标。进一步的理论计算表明,旋翼变距和变转速技术能够有效提高多旋翼飞行器起飞质量,续航时间等关键性能指标。      

Robust variable structure speed control for induction motor drive

In order to eliminate the effect of parameter variation on field-oriented control for induction motor drive, an adaptation algorithm for tuning the rotor time-constant is proposed. Based on the adaptive observation of the rotor flux linkages, the rotor time-constant is adapted to obtain an exact indirect-field-oriented control (IFOC). In this proposed algorithm, a related function to the variation of the rotor time-constant is designed, then the accurate slip frequency needed for IFOC is obtained from this error function through a PI-type (proportional-integral) filter. Furthermore, a novel variable structure speed control with integral sliding surface is proposed under the adaptive field-oriented operation. By means of the variable structure speed control, the dynamics of motor speed have the property of an exponentially convergent rate. Using the proposed adaptive field-oriented control and the variable structure speed control, the IFOC is robust to the variation of the rotor time-constant and the speed control is insensitive to parameter uncertainty and load disturbance. Finally, some simulation and experimental results are presented to validate the effectiveness     

Performance analysis of variable speed tail rotors with Gurney flaps

Gurney Flaps (GFs) are used for improving the performance of variable speed tail rotors. A validated analytical helicopter model able to predict the main and tail rotor power is utilized. The fixed height GF has substantially small influence on the tail rotor power in hover and low to medium speed forward flight, and can obtain significant power reduction in high speed flight. This ability can be enhanced by decreasing the tail rotor speed. With the deployment of GF, the collective pitch of the tail rotor decreases, and the maximum tail rotor thrust increases. The GF can compensate the reduction of the maximum thrust by the decrease in the tail rotor speed. The GF with a height of 5% of the chord length can almost remedy 50% of the thrust reduction introduced by decreasing 10% of the tail rotor speed. With the increase of GF height, the maximum thrust generated by the tail rotor increases. The GF with larger height can cause the increase in the tail rotor power in hover and low to medium speed flight. The retractable GF can obtain more power savings than the fixed height GF. However, the benefit is substantially small even in high speed flight. Considering the side effects introduced by the active GF, the fixed height GF may be more preferable. The mechanism for the retractable GF to generate more tail rotor thrust is to increase the lift in advancing side due to the higher dynamic pressure.     

变转速旋翼直升机性能及配平研究

 为研究变转速旋翼直升机性能及配平特性,本文以旋翼动力学综合模型为基础,研究了样例变转速旋翼直升机旋翼需用功率随旋翼转速、前飞速度、起飞质量和飞行高度的变化,以及旋翼总距、纵横向周期变距和桨轴纵横向倾斜角随旋翼转速和前飞速度的变化关系。研究结果表明,降低旋翼转速可明显降低旋翼需用功率,有利于提高直升机航时、航程和升限等性能指标。旋翼转速变化对直升机配平影响明显,配平限制了旋翼工作于过低的转速,另一方面,旋翼转速过低反而有可能增加旋翼的需用功率。旋翼总距和纵横向周期变距随旋翼转速的降低而加大,旋翼桨轴的纵向倾斜角随转速变化不大,横向倾斜角随旋翼转速的降低而减小。     

自动变桨距螺旋桨电推进系统能效优化方法

为了提升自动变桨距螺旋桨电推进系统的整体效率,引入最优功率控制规律：自动变桨距螺旋桨电推进系统可根据飞行工况和推力需求,同时调节桨距角和螺旋桨转速两个变量,最终获得一组桨距角和螺旋桨转速的组合,使得推进系统在满足推力需求的情况下实现最小的功率消耗,最终达成飞行任务剖面内最小能耗控制的目标。为了验证方法的有效性,针对同一电推进系统,分别采用最优功率控制规律和恒速控制规律完成相同的飞行任务剖面,获得了两种控制规律下的螺旋桨推进效率、电动机效率、电推进系统总效率和电推进系统能耗数据。结果证明：相较于恒速控制规律,最优功率控制规律能够有效的提升电推进系统效率并降低能耗,完成相同飞行任务剖面的能耗降低6.3%左右。     

变截面隔离段流场数值分析

对一种由矩形转变为圆形的变截面隔离段流场进行了数值模拟,并将其与圆形和矩形等截面隔离段内流场进行了对比。在相同来流条件和不同进出口压比条件下,分析了隔离段内激波串区域流动特性、激波串起始位置、激波串长度、出口处流量平均参数以及隔离段出口流场流动均匀性等隔离段性能。结果表明:相对于矩形截面隔离段,变截面隔离段中的分离区域有变短、变宽的趋势。这不仅能够有效降低激波串长度和内阻,而且产生了主流和壁面之间的横向流动。最后,对变截面隔离段中激波串长度与压比之间的关系公式进行了修正。     

变转速模型旋翼挥舞摆振低阶载荷试验研究

为研究变转速旋翼挥舞和摆振方向低阶载荷,以无铰式复合材料模型旋翼为研究对象,通过试验研究,探讨了旋翼桨叶根部挥舞和摆振零阶及前3阶载荷随旋翼转速、前飞速度和旋翼拉力的变化关系。试验结果表明,在相同的配平条件(前飞速度、旋翼拉力、俯仰力矩及滚转力矩)下,降低旋翼转速有利于减小模型旋翼摆振零阶载荷,明显降低旋翼需用功率,进而提升直升机性能。当旋翼转速较低时,随着旋翼转速的降低,挥舞前3阶载荷幅值均较大。旋翼转速较低时,摆振弯矩前3阶也较大。当旋翼工作于摆振1阶共振转速附近时,旋翼挥舞前2阶和摆振前2阶载荷突增较为明显,挥舞3阶和摆振3阶变化相对较小,其中以摆振1阶载荷变化最为明显,需特别注意旋翼工作于共振转速附近时的载荷问题。     

无人驾驶直升机发动机模糊自适应PID控制

针对某型无人驾驶直升机发动机控制的特点,提出恒量供油、恒速控制和总距前馈补偿控制的复合控制策略,在飞行控制计算机内建立发动机模糊自适应PID控制器,利用模糊规则和推理来在线调整PID参数,使发动机安全平滑启动,并在各种功率状态下保持输出轴转速恒定。经含实物仿真试验、地面试车、系留试验以及无人机整机试飞测试,所设计的发动机控制方案动态响应速度快,对总距变化等干扰的抑制作用强,能保证主旋翼在各种飞行状态下获得最佳的气动效率,改进无人直升机的飞行性能。      

Investigation of rotor control system loads

This paper concentrates on the aeroelasticity analysis of rotor blade and rotor control systems. A new multi-body dynamics model is established to predict both rotor pitch link loads and swashplate servo loads. Two helicopter rotors of UH-60A and SA349/2, both operating in two critical flight conditions, high-speed flight and high-thrust flight, are studied. The analysis shows good agreements with the flight test data and the calculation results using CAMRAD II. The mechanisms of rotor control loads are then analyzed in details based on the present predictions and the flight test data. In high-speed conditions, the pitch link loads are dominated by the integral of blade pitching moments, which are generated by cyclic pitch control. In high-thrust conditions, the positive pitching loads in the advancing side are caused by high collective pitch angle, and dynamic stall in the retreating side excites high-frequency responses. The swashplate servo loads are predominated by the rotor pitch link loads, and the inertia of the swashplate has significant effects on high-frequency harmonics of the servo loads.     

A novel control method for turboshaft engine with variable rotor speed based on the Ngdot estimator through LQG/LTR and rotor predicted torque feedforward

In order to compensate for the disturbance of wide variation in rotor demanded torque on power turbine speed and realize the fast response control of turboshaft engine during variable rotor speed, a cascade PID control method based on the acceleration estimator of gas turbine speed (Ngdot) and rotor predicted torque feedforward is proposed. Firstly, a two-speed Dual Clutch Transmission (DCT) model is applied in the integrated rotor/turboshaft engine system to achieve variable rotor speed. Then, an online estimation method of Ngdot based on the Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery (LQG/LTR) is proposed for power turbine speed cascade control. Finally, according to the cascade PID controller based on Ngdot estimator, a rotor demanded torque predicted method based on the Min-batch Gradient Descent-Neural Network (MGD-NN) is put forward to compromise the influence of rotor torque interference. The simulation results show that compared with cascade PID controller based on Ngdot estimator and the one combined with collective pitch feedforward control, the novel control method proposed can reduce the overshoot of power turbine speed by more than 20%, which possesses faster response, superior dynamic effect and satisfactory robustness performance. The control method proposed can realize the fast response control of turboshaft engine with variable rotor speed better.     

独立桨距控制对直升机飞行性能的影响

为研究旋翼独立桨距控制对直升机飞行性能的影响,在已验证的直升机性能分析模型基础上,以UH-60A直升机为样例,通过输入不同阶次、幅值和相位角的独立桨距,分析直升机的需用功率和升阻比变化,在此基础上给出了旋翼桨盘内迎角和阻力系数的分布,探讨了独立桨距控制提升直升机性能的机理。分析结果表明：高速时,2阶和3阶的独立桨距控制可降低旋翼需用功率、提高直升机的升阻比,但提升效果有限,直升机起飞重量较大时,效果更明显;2阶耦合3阶的独立桨距控制对旋翼性能的提升效果比单独的2阶或3阶桨距输入更好,样例直升机的需用功率最多降低了4.5%,4阶的独立桨距输入则不利于提升旋翼性能;输入独立桨距后,旋翼桨盘迎角分布改善,后行侧迎角减小,有利于推迟失速,桨盘的后行侧的阻力系数减小,可有效降低旋翼的需用功率,提升直升机飞行性能。     

直升机旋翼瞬态气弹运动有限元模型研究

从能量变分原理出发建立了旋翼的瞬态气弹有限元模型,模型考虑了旋翼转速加速度对桨叶动能变分的影响。采用叶素理论建立了桨叶在复杂流场中的气动载荷模型,模型计入了旋翼主轴纵倾和横滚角的影响,研究了流场风速分量的计算。运用所建模型仿真分析了直升机在护卫舰尾流场内起动时桨叶的挥舞、摆振、扭转(变距)等瞬态运动过程。模型可用于旋翼的振动仿真分析、噪声估计和故障诊断方法的验证。     

两种桨尖形状旋翼模型试验特性对比

本文介绍了一副研制型旋翼模型在CARDC 8m×6m低速风沿的试验概况,给出了两种桨尖形状旋翼模型试验的悬停效率、前飞需用功率、变距拉杆载荷、桨叶载荷及振动特性的对比结果。并对结果进行分析,得出不同桨尖形状对旋翼一些特性的贡献。     

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

基于预测扭矩前馈的涡轴发动机内模控制方法

基于内模原理设计了涡轴发动机功率涡轮转速控制器.针对主旋翼扭矩变化对功率涡轮转速的干扰,提出了一种基于极端学习机的扭矩预测方法.极端学习机训练基于动态仿真数据,其输入通过相关分析获得.基于内模原理的功率涡轮转速控制器采用极点配置的设计方法,将输入信号的内模直接加入控制器,实现鲁棒跟踪.扭矩前馈采用比例微分(PD)控制策略,实现对发动机负载变化干扰的有效补偿.数字仿真结果表明:极端学习机扭矩预测精度高,扭矩相对误差小于1.5‰,与不加前馈控制相比,所提出的控制方法减小了机动飞行过程中功率涡轮转速的超调或下垂30%以上.      

自适应旋翼性能研究进展

自适应旋翼不同于常规被动旋翼设计,通过主动改变旋翼参数,优化旋翼升阻比,以适应飞行环境和飞行状态的变化,从而降低旋翼需用功率、提升直升机飞行性能。本文归纳了自适应旋翼在提升旋翼性能方面的国内外研究进展,主要包括：变转速旋翼、变直径旋翼、独立桨距控制旋翼、智能扭转旋翼以及桨叶翼型变体等,并对自适应旋翼提升旋翼性能方面的研究进展进行了总结和展望。     

直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响

为摸索直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响规律并揭示其机理,首先建立能够考虑2阶谐波桨距控制影响的旋翼气动力模型,进一步建立相应的直升机飞行动力学模型,将旋翼需用功率作为性能评估的依据,在全机配平状态下开展2阶谐波桨距控制对旋翼性能的影响研究.对于样例直升机,前进比为0.2时,施加任何2阶谐波桨距控制均使旋翼需用功率增加;前进比为0.35时,施加幅值为1.5°、初相位为90°的2阶谐波桨距控制使旋翼需用功率降低约5%.通过分析样例直升机桨盘平面迎角分布和阻力系数分布,总结出利用2阶谐波桨距控制提升旋翼性能的物理本质:当直升机处于高速、大载荷飞行状态时,施加适当的2阶谐波桨距控制可以改善桨盘平面迎角分布,推迟后行边桨叶失速,从而降低旋翼需用功率,有效提升旋翼性能.     

某型机助力器承载特性分析

某旋翼系统装于某型直升机,实测了该直升机在悬停、盘旋、平飞、过载、机动飞行科目下的桨叶变距拉杆的铰链力矩,据此计算了该型机纵向和横向操纵助力器所受载荷;同时根据该机操纵助力器输出力与操纵速度特性曲线,考核验证某旋翼系统的铰链力矩、某型机操纵助力器的承载特性即桨叶和助力器的设计及其匹配是否合理、安全可行。     

倾转旋翼无人机过渡段纵向控制策略设计研究

针对倾转旋翼无人机过渡段纵向控制问题,基于工程化应用要求,以某型倾转旋翼无人机为研究对象,首先综述了国内倾转旋翼机的研究进展与发展趋势.其次分析了过渡段气动特性变化,根据过渡阶段的升力来源,将整个过渡过程划分为变距操纵段与气动操纵段,并根据各个阶段的前飞速度与短舱角的关系,确定倾转过渡方案.然后以操纵舵面分配方案为基础,设计了过渡过程各阶段纵向控制策略,并通过仿真验证了策略的鲁棒性,实现了对象无人机的全过程飞行.最后讨论了控制策略的优缺点,并展望了倾转旋翼无人机的发展前景及其在控制领域面临的挑战.