弹性飞机纵向稳定性分析

本文讨论弹性飞机的纵向稳定性问题。包括带与不带飞行控制系统两种情况。文中通过算例,分析讨论弹性飞机的总体运动模态和弹性运动振型之间的藕合以及弹性飞机本身和飞行控制系统之间的耦合。分析与计算表明,带有飞行的控制系统的飞机,其结构弹性变形运动对纵向稳定性的影响,即使对于算例中的“小”飞机,也是不可忽视的。飞机的弹性影响,不但会降低飞机的飞行品质,有时还会引起飞机与系统之间的耦合不稳定。     

大展弦比飞机运动稳定性建模及分析

随着飞机设计技术的提高和新型材料的应用，现代飞机气动弹性效应越来越显著，刚体运动和弹性体振动互相解耦的关系不再明显，在分析弹性飞机相关问题时，应该综合地、统一地考虑飞行动力学与气动弹性力学问题。本文在一般体轴系下综合考虑了飞机刚体运动自由度和弹性振动自由度，建立弹性飞机刚弹耦合运动的方程，通过在配平状态下引入小扰动运动假设，以及利用有理函数拟合技术将偶极子格网法计算所得到的频域非定常气动力转化为时域形式，建立了大柔性飞机刚弹耦合小扰动状态空间方程，并对纵向运动稳定性进行分析计算。针对文中构型飞机，运用本文所采用的方法计算所得结果与传统的线性及刚体计算所得结果进行对比分析，非线性计算方法所得颤振速度更小，而且失稳模态亦发生变化，对于飞行力学模态而言，长周期模态稳定性变差，在计算速度范围内出现失稳的现象，由此说明机翼大变形对飞机稳定性所带来的影响。     

刚弹耦合飞行器的机动载荷减缓

针对飞行器刚体/弹性模态耦合作用下的机动载荷减缓问题,运用亚音速非定常空气动力学理论以及分析力学原理,建立了柔性飞机机动载荷分析及控制的气动弹性模型,分析了飞机作纵向机动飞行时结构弹性对机动飞行参数的影响。数值分析结果表明,结构弹性模态对飞机机动过程的影响不容忽视。为了有效减缓机动载荷,运用最优控制理论,采用多组控制面联合偏转的作动方案,设计机动载荷减缓最优控制律,实现了对飞机纵向机动载荷的控制。研究结果表明,提出的机动载荷减缓控制方案是有效的。     

BW—1变稳飞机纵向地面伺服弹性问题试验研究

本文介绍我国第一架变稳定性飞机纵向地面结构模态耦合试验。这架试验机上安装有我国第一套数字式气动变稳飞行控制系统,这类飞机上不允许地面共振现象存在。通过地面试验可以确定出系统的结构稳定性裕度,进而使用结构滤波器抑制飞行控制系统与飞机弹性结构之间的耦合,保证试飞安全.     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

弹性飞行器飞行载荷与动态特性分析

在综合考虑了刚体运动自由度和弹性自由度的弹性飞行器运动方程的基础上 ,采用了线性气动力的影响系数形式 ,提出了一套飞行载荷与动态特性分析的方程和方法 ,用于解决飞行力学和气动弹性力学中的静气动弹性发散、配平与结构变形、气动载荷分布、颤振与飞行动态特性等问题。算例表明 ,该方法有效可行 ,且对于大柔性飞行器 ,刚体运动模态与弹性模态之间的耦合是显著的 ,应予以重视。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

大型飞机前起落架摆振仿真分析

飞机前起落架的摆振是飞机在地面滑跑时产生的一种有害的自激振动。基于多体动力学理论,建模时运用点线耦合的方法处理起落架缓冲器的柔性化问题。采用子结构模态法建立刚柔耦合模型,考虑了起落架结构的弹性以及机体的刚性运动。通过线性化计算得出前起落架的典型模态,并对模型进行了校验,给出了以飞机速度和临界防摆阻尼系数组成的飞机摆振稳定区域图,研究了前起落架柔性、机体重心设置和机身刚体运动对摆振稳定性的影响。结果表明,前起落架结构柔性对摆振稳定性影响较大,且在低速滑跑时的影响更为突出;飞机重心后移,有利于提高摆振稳定性;机身刚体运动对于前起落架摆振的影响不可忽略。     

弹性飞机的数字式电传飞行控制系统的设计研究

 本文对主动控制的高性能飞机的气动伺服弹性影响进行了设计研究。从普遍的弹性方程建立了将刚体和结构模态分开描述的耦合方程,推导了主回路弹性传递函数,并同时利用频率响应和最优离散输出反馈调节器两种方法,对一种参考飞机的纵向一阶弯曲模态进行了简化的分析。提出了推荐的频率域设计指标和按最优增益对传感器安装位置的灵敏度作为需要控制的判据。讨论了比例式和前向复合控制两种系统类型的弹性和刚体反馈律的设计结果。     

吊挂飞行对重型直升机空中共振稳定性的影响机理分析

飞行员驾驶重型直升机完成飞行任务时，可能出现与机体弹性变形有关的空中共振问题，且在吊挂飞行时会加剧，因此通过刚弹耦合建模与分析指出了重型直升机吊挂飞行时可能导致空中共振的3个耦合模态：旋翼摆振前进型-机体垂向弯曲耦合模态；旋翼-机体-吊索耦合模态；摆振后退型-机体滚转耦合模态。研究了这3个耦合模态对重型直升机空中共振稳定性的影响机理。分析结果表明：第1个耦合模态在重载吊挂悬停时最容易导致空中共振，而第2个耦合模态在轻载吊挂飞行时对空中共振稳定性影响最大，它们都会涉及旋翼摆振运动与机体垂向弯曲变形的耦合，但第2种会出现明显的吊索伸缩运动；第3个耦合模态会导致空中共振稳定裕度在重载吊挂时降低18%。     

On the stability of flexible aircraft

The problem of aircraft stability has been a subject of concern since the beginnings of flight. Traditionally, aircraft stability has been treated within the confines of two separate disciplines, namely, flight dynamics and aeroelasticity. Based on some recent developments in the dynamics and control of flexible aircraft, this investigation uses the system concept to provide a broader approach to aircraft stability in an attempt to bridge the gap between stability as understood in flight dynamics and stability as envisioned in aeroelasticity. To this end, stability is studied in the following four cases: 1) dynamics of whole flexible aircraft using the unified formulation, 2) flight dynamics of quasi-rigid aircraft (aircraft treated as rigid), 3) aeroelasticity of flexible components, such as cantilever wing, cantilever horizontal stabilizer, etc., and 4) aeroelasticity of restrained flexible aircraft (aircraft fixed to a point, hence, having no rigid body degrees of freedom). The paper also presents a method to address the stability of flexible aircraft when the compressibility correction factor is known only at some discrete Mach numbers.     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

民用电传飞机颤振/ASE试飞风险控制技术

现有颤振/ASE 试飞风险控制技术相关研究不够系统全面,未充分考虑民用电传飞机试飞特点及机上试飞工程师的作用。系统地研究民用电传飞机颤振/ASE 试飞风险控制技术,包括理论评估、测试改装、试飞方法、试飞风险分析、风险降低措施和应急处置程序制定等;针对识别出的颤振/ASE 不稳定性、不良操稳特性和局部结构损坏等风险源,提出振动超限或异常时客舱试飞工程师切断激励的新技术,开发地面监控专用软件用于实时颤振/ASE 裕度定量分析;在某型号试飞中应用该技术进行颤振/ASE 试飞科目验证。结果表明：该风险控制技术能够有效降低试飞风险和成本,人工切断技术可在1 s 内中止激励保障飞机结构安全,实时分析技术可以快速准确计算稳定裕度并且提高试飞效率。     

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

基于数字虚拟飞行的民用飞机纵向地面操稳特性评估

针对民用飞机设计方案纵向地面操稳特性的评估需求,面向适航标准的要求,提出了一种基于数字虚拟飞行的评估方法。基于适航条例要求提出了纵向地面操稳特性的量化判定准则,建立了飞机的地面运动模型和驾驶员操纵模型,以实现起降等特定地面运行任务的数字虚拟飞行,最终依据数字虚拟飞行结果和判定准则对飞机设计方案的地面操稳特性做出评估。应用此方法研究了某大型运输类飞机的纵向地面操稳特性。数字虚拟飞行结果表明:前翻倾向的严重情况发生在起降过程的高速滑行段,主轮刹车引起的机身前翻倾向是显著的,起落架纵向定位参数设计以及飞行进近参数选择均会对飞机的纵向地面操稳特性产生影响。     

Bifurcation analysis and stability design for aircraft longitudinal motion with high angle of attack

Bifurcation analysis and stability design for aircraft longitudinal motion are investigated when the nonlinearity in flight dynamics takes place severely at high angle of attack regime. To predict the special nonlinear flight phenomena, bifurcation theory and continuation method are employed to systematically analyze the nonlinear motions. With the refinement of the flight dynamics for F-8 Crusader longitudinal motion, a framework is derived to identify the stationary bifurcation and dynamic bifurcation for high-dimensional system. Case study shows that the F-8longitudinal motion undergoes saddle node bifurcation, Hopf bifurcation, Zero-Hopf bifurcation and branch point bifurcation under certain conditions. Moreover, the Hopf bifurcation renders series of multiple frequency pitch oscillation phenomena, which deteriorate the flight control stability severely. To relieve the adverse effects of these phenomena, a stabilization control based on gain scheduling and polynomial fitting for F-8 longitudinal motion is presented to enlarge the flight envelope. Simulation results validate the effectiveness of the proposed scheme.     

气动伺服弹性研究的进展与挑战

飞机、导弹等飞行器的气动伺服弹性(ASE)问题源于空气动力、结构弹性以及控制系统之间的复杂耦合。随着飞行器朝着结构更轻、速度更快、性能更好的目标发展,该问题日益突出,直接影响飞行安全与性能。经过六十余年的研究,国内外在ASE分析、综合与试验方面取得了卓有成效的进展。近十余年来,若干新问题因非常规构型飞行器设计的发展而暴露出来,对ASE研究施加巨大挑战,值得重点分析。鉴于此,讨论了ASE分析中的刚弹耦合、非线性、推力矢量以及系统辨识等问题,对ASE综合中的阵风减缓、颤振主动控制和ASE优化问题加以阐述,强调了ASE试验中需要重视的技术,简要介绍了近十余年国外代表性的ASE试验项目案例,指出了一些ASE研究的新动向,并对国内的ASE研究给出了建议。     

Dynamics,stability, and control of a four-cable mount system for wind tunnel test

A four-cable mount system is proposed for full-model wind tunnel flutter tests, which may adjust the pitch and roll attitude of the aircraft scaled model and ensure that the model is not subjected to cable tension. The system provides sufficient support to simulate the free flight of the aircraft by applying appropriate spring stiffness and cable tensions. The proposed four-cable mount system is modeled based on Lagrange mechanics, and its dynamics equations consider aerodynamic effects. The singularity of the system and its bifurcation characteristics under flow conditions are analysed to determine the supercritical bifurcation phenomenon for different tension levels and distances from the front suspension point to the mass centre of the model. The mathematical expressions of the longitudinal flight stability of the cable mount system are derived by linearising the system dynamics equations using small perturbations. The influence of the cable tension, spring stiffness, suspension point position, and other factors on the flight stability of the aircraft are analysed. A feedforward control algorithm is proposed to minimize the total elastic potential energy of the system. The results show that the model is in the level flight state when the elastic potential energy of the four-cable mount system is minimized. A feedback control design method is proposed based on the Lyapunov stability theory to derive the closed-loop stability conditions. The system dynamics model that includes the aircraft rigid body model, flexible cables, pulleys, springs, aerodynamic model, and servo motor control is established using the flexible multibody dynamics method. A multibody dynamics solver and Simulink are used to simulate the attitude adjustment of the model in the wind tunnel and verify the supercritical bifurcation characteristics of the system and the effectiveness of the feedback and feedforward control.