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...     

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。     

自主空中加受油会合阶段控制策略研究

无人机自主完成空中加油对提高航程、航时具有重大意义,其中受油机与加油机之间会合阶段的控制策略是保证加受油成功的关键技术。首先,通过分析空中加油过程中有人机与无人机之间的差异性,给出了一种工程上较为可靠的无人机自主空中加受油最优航路设计方法;其次,根据无人机的飞行特点,提出了一种空中加受油会合与编队阶段的控制策略,形成了相应的任务动作,并设计了对应的控制律;最后,通过两架某小型无人机开展了飞行试验,验证了控制策略的可行性,并给出了试验结论。     

空中加油机加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术

软式加油方式中加油软管锥套受气流影响会发生气动不稳定现象,严重影响空中加/受油的成功率和安全性,其中加油机的尾流场是影响软管锥套稳定性的主要因素。本文研究了空中加油机加油软管锥套的气动稳定性风洞试验方法,建立并分析了相似准则,给出了双目系统测量软管锥套位移的具体方法,利用自动舵机实现了加油软管自动收放,形成了完整的加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术,并将其应用于某型加油机加油吊舱、中心线平台等部件的选型优化。结果表明,该试验技术能有效模拟处于加油机尾流场下的软管锥套收放过程和固定管长时的气动稳定性,试验获得的锥套下沉量和振动幅值明确了不同加油吊舱、中心线平台构型的优劣性,能够为加油机关键加油部件选型优化及飞行试验提供可靠的试验数据。     

外国的空中加油程序

本文叙述了外国的空中加不同油程序，即相对插头－锥管式空中加油系统和伸缩套管式空中加油系统，当受油机与加油机会合之后直到合油完毕各阶段的操纵要求，飞行方法和注意事项。在空中加油期间，加油机必须像空中平台一样保持稳定平飞，受油机微量整油门，柔和操纵飞机，按照加油员的指令完成中对接，加油飞行，在加油机受油机允许的飞行范围内，双机飞油员密切配合，协调一致克服大气紊流，双机相距过近，空中加油系统和机载设备使     

运输机软式空中受油飞行品质试飞技术研究

运输类飞机完成空中受油类高增益闭环任务的风险性与难度均远远大于轻小类飞机,为此,对运输机软式空中受油的飞行品质试飞技术开展研究。首先,通过设计基础子集任务评估受油机基于空中受油的飞行特性,探索空中受油对接操纵策略;其次,通过研制目标跟踪系统,设计随机指令任务以评估飞行员执行高增益闭环任务时的PIO敏感性;最后,基于目标跟踪系统设计虚拟空中受油试飞任务,探索运输机空中受油试飞方法并研究相关飞行品质试飞技术。通过初步试飞验证,所提方法保障了高风险试飞任务的安全,可为大型运输机软式空中受油飞行品质试飞提供理论指导。     

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.     

空中无人加油自主对接导航制导与控制

空中自主加油技术能大大提高无人机的航程航时,在军用和民用上都有着十分重要的意义。受编队气动干扰、模型不确定性、头波效应、阵风干扰等因素影响,空中无人加油的对接段是所有阶段中精度要求最高和控制难度最大的一个阶段,其导航制导与控制技术是目前研究的难点和热点。本文针对无人-无人空中自主加油场景,深入研究了软管式空中加油自主对接段的鲁棒抗扰导航制导与控制技术并进行了飞行试验验证。首先,为实现受油机加速对接时高度控制不出现振荡,采用总和能量法设计纵向制导律以实现对接末段高度和速度的协调控制;其次,为提高风干扰下的对接控制精度,分别针对加油机和受油机在不同飞行阶段的轨迹跟踪特点采用L1非线性制导思想设计了横向制导律,并采用鲁棒伺服方法设计内环姿态控制律,将积分环节引入角速率控制回路提升系统型别以更好抑制外界扰动对系统的影响;然后,基于单阶段深度学习目标检测算法YOLOV4开发了锥套识别与定位算法,在强光、云雾等复杂条件下进行采样和训练以大大提升视觉系统的鲁棒性,并采用扩展卡尔曼滤波算法将图像定位信息与RTK定位信息进行融合用于相对导航;最后,设计了无人机空中加油自主对接模拟飞行试验方案,在最大程度...     

受油机飞行边界数值认定仿真研究

受油包线范围的确定对硬式空中加油的成功对接、安全加油具有重要意义.本文提出了一种不同干扰等级下受油机飞行边界数值认定方法.首先,通过解算KC-135加油机的硬管包线给出受油机的加油可行范围.其次,在分析受油机纵向及横侧向运动模型的基础上,设计受油机多模态双闭环控制系统,使受油机速度、姿态角、位置等状态量能够稳定保持.最...     

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。     

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.     

软式空中加油对接约束力不确定性分析

软式空中加油过程中锥套和受油管连接处的最大约束力,可造成锥套和受油管的脱离以及受油管的断裂,甚至引发安全事故。为了研究输油过程中软管锥套组合体的动力学特性,利用ALE-ANCF输油管道模型和多体建模方法,建立了加油系统刚-柔-液耦合的多体动力学模型;为了获取参数不确定条件下对接约束力的期望范围,采用融合多项式混沌方法和动力学模型的不确定性快速分析方法,得到了不同高度下飞行速度、输油软管长度和两机相对运动速度存在不确定性时的对接约束力期望范围。数值仿真结果表明,当受油机和加油机存在相对运动时,受油管在特定截面处的最大压力、剪力和弯矩的期望值将会分别大幅提高50%、272%和772%。     

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。     

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.     

下一代大型军用运输类飞机气动布局及作战应用趋势浅析

随着导弹发射车、重型装甲车、智能无人集群等重型物资装备的远程快速投送需求剧增,以及隐身战机、远距空空弹、防区外自主武器等穿透性打击能力的逐渐成熟,现有常规大型军用运输类飞机在适合未来战场需求和生存能力等方面将面临巨大威胁,其投送/加油/预警指挥的活动范围将被严重挤压。本文首先对现有常规大型军用运输类飞机的国内外现状进行简要概述;然后分别介绍美俄等航空大国开展的下一代大型军用运输类飞机及其关键技术研究;最后对下一代大型军用运输类飞机气动布局发展趋势以及可能作战应用场景进行简要分析,并提出一种分布式涵道油电混合推进运输类飞机气动布局。     

空中加油调度的研究

研究了执行大规模空中加油任务的加油机群和受油机群的匹配方案，以完成总耗油量最少（或总耗时最短）为目标函数，有杉球面上航线约束的方法优化确定每次加油的最优加要用克尼格效能矩阵优化确定空中加油的调度方案。方案中了各种加油机基地和受油机基地的相对位置，受油机的安全可加油区域，最大可用加油机数目和最大需用加油机数目等约束条件。本研究可为实际应用提供理论依据。     

A guidance law for UAV autonomous aerial refueling based on the iterative computation method

The rendezvous and formation problem is a significant part for the unmanned aerial vehicle（UAV） autonomous aerial refueling（AAR） technique. It can be divided into two major phases： the long-range guidance phase and the formation phase. In this paper, an iterative computation guidance law（ICGL） is proposed to compute a series of state variables to get the solution of a control variable for a UAV conducting rendezvous with a tanker in AAR. The proposed method can make the control variable converge to zero when the tanker and the UAV receiver come to a formation flight eventually. For the long-range guidance phase, the ICGL divides it into two sub-phases： the correction sub-phase and the guidance sub-phase. The two sub-phases share the same iterative process. As for the formation phase, a velocity coordinate system is created by which control accelerations are designed to make the speed of the UAV consistent with that of the tanker.The simulation results demonstrate that the proposed ICGL is effective and robust against wind disturbance.     

硬式空中加油装置运动建模与仿真研究

针对由加油机和硬式加油伸缩管构成的硬式空中加油多体动力学系统,在已有的加油机运动仿真模型的基础上,考虑加油机的尾流场扰动作用,采用基于拉格朗日方程的速度传递矩阵法,建立了系统运动仿真模型。通过运动仿真,对伸缩管的动态特性和系统的紊流扰动响应特性进行了研究。仿真结果表明,硬管的动态响应特性较差、阻尼偏小,且俯仰运动与偏航运动耦合,需控制系统予以改善并实现解耦操纵;轻微的紊流对硬管的姿态具有较明显的扰动作用,通过稳定加油机的航迹,能够显著改善硬式加油装置的抗紊流特性。     

无人机空中加油过程中基于机器视觉的相对位姿估计(英文)

本文主要研究了在无人机空中自主加油过程中,利用安装在无人机上的摄像机得到的视觉图像确定无人机与加油机之间相对位置关系的算法。本文以经典的OI算法为基础展开研究,文章主要分为三个部分:首先简要介绍了OI算法的基本实现方法,指出了在OI算法中,旋转矩阵R的初值的选择对于位姿估计的精度有一定的影响。其次主要介绍了一种线性算法用于获取R初值的方法,同时针对空中加油过程中无人机与加油机之间的相对姿态角变化较小的特点,提出了可以将旋转矩阵R的初值设为单位矩阵。论文最后在仿真环境下对相关算法展开实验研究,同时研究了在高斯噪声环境下特征点在加油机表面的分布对位姿估计结果的影响,论文得到如下的结论:1、针对空中加油过程中无人机与加油机之间的相对姿态角变化较小的特点,在高斯噪声环境下,以单位矩阵作为旋转矩阵的初值得到的位姿估计的结果好于以线性算法为初值的结果。2、在相同的高斯噪声环境下,特征点之间的距离越大时得到的位姿估计结果的精度越高。3、特征点的数量对相对位姿估计的精度没有明显影响。