旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究

近些年来垂直起降(VTOL)飞行器发展迅速,并获得了一些突破性进展,但仍有许多尚未解决的问题。结合旋翼机和固定翼飞机的优点,提出一种旋翼固定翼复合式飞行器布局方案,兼具优异的垂直起降性能及高速飞行能力,具有转换过渡稳定平滑、可控性强的特点。在该旋翼固定翼复合式布局中,特型旋翼可旋转以提供垂直升力,也可停转、锁定与固定式机翼保持平行,最终转换为固定翼面使得飞机转换为固定翼布局,并在机翼上布置矢量推力装置,实现高速飞行。概念设计研究围绕设计方法、特型旋翼、矢量推力系统等关键技术展开,并开展了平飞模式飞行特性、垂直起降模式飞行特性、航程、航时以及飞行操纵等性能的分析。通过试制小型原理验证机,并对各飞行状态及转换过渡飞行进行飞行试验,验证了该布局的可行性。结合实际算例展开分析计算,验证了该方案设计方法的准确性和实用性。     

鸭式旋翼/机翼无人机飞行动力学建模与分析

针对鸭式旋翼/机翼无人机兼有直升机和固定翼机飞行特性的特点,对其飞行动力学模型进行了理论建模与分析研究。应用动量理论建立了旋翼/机翼尾迹模型,分析了旋翼/机翼尾迹对鸭翼、平尾等气动部件的干扰特性,建立了直升机和转换飞行模式受旋翼/机翼尾迹干扰影响的动力学模型以及固定翼飞行模式的动力学模型。提出了各飞行模式的配平策略,使用Matlab工具箱函数简化了平衡特性计算和模型线性化过程,并进行了不同飞行模式、典型飞行状态的纵向运动稳定性分析。结果表明所建立的模型能够反映该类鸭式旋翼/机翼无人机各飞行模式的典型特性,并可用于飞行控制系统设计。     

垂直起降固定翼无人机的翼尖垂尾设计分析

垂直起降固定翼无人机兼具固定翼飞机速度快、航程远和多旋翼无人机垂直起降、可悬停作业的优点,研究其翼尖垂尾对整机气动特性的影响具有重要意义。垂直起降固定翼无人机采用翼尖下垂尾的设计可以在充当垂尾使用的同时兼具翼尖小翼和起落架的作用。对比下垂尾、上垂尾、翼梢端板和常规布局四种翼尖设计,采用LBM-LES算法、壁面自适应局部涡粘大涡模拟湍流模型对四种设计的气动特性进行仿真模拟分析。结果表明:翼尖下垂尾在平飞状态时比其他三种设计气动效率更高,在垂直起降或悬停状态时,抗侧风稳定性更好。     

复合式直升机前飞状态旋翼-机翼干扰计算分析

采用自由尾迹算法和涡格法,编制了针对复合式直升机旋翼-机翼升力系统的气动计算程序,对于旋翼和机翼间的气动干扰情况进行了初步分析,计算了不同前飞速度下机翼旋翼之间的相互干扰情况,计算结果验证了程序的可行性.同时表明:机翼-旋翼间的干扰与速度有较大关系,而机翼对旋翼扭矩的影响大于对旋翼拉力的影响.由于相互干扰的存在,旋翼和机翼的效率都会降低.这为复合式直升机的设计提供了参考和分析工具.      

倾转四旋翼机气动特性分析及参数影响研究

采用机身/机翼/尾翼贴体网格与旋翼动量源相结合的CFD方法,开展了某倾转四旋翼机气动布局参数对气动特性的影响分析研究。首先,建立了一套适用于倾转四旋翼机全机干扰流场模拟的数值方法。然后,基于所建立方法开展了不同部件干扰情况下旋翼气动特性分析。最后,分析了前飞速度、旋翼旋向组合、旋翼横向距离对旋翼与机翼气动特性的影响规律。结果表明：后旋翼气动特性受全机干扰的影响较大,后旋翼拉力相对于孤立旋翼减小了41%。随着前飞速度的增加,前旋翼和机翼对后旋翼的气动干扰增强。从机头前方正视,机翼的左旋翼右旋和机翼的右旋翼左旋,有利于改善全机气动性能。前后旋翼的横向距离增大会提高后机翼和后旋翼的气动性能,横向距离为0.5 m时,后旋翼拉力比0 m时增大47%。     

复合式共轴直升机飞行动力学数学模型研究

建立了复合式共轴直升机的飞行动力学数学模型。根据复合式共轴直升机的构型特点,计入上下旋翼,旋翼与机翼之间的相互气动干扰,建立了旋翼、机翼等部件的气动计算模型。以某小型复合式共轴直升机为例,运用牛顿迭代法完成了3种飞行模式下的配平计算,得到了从悬停到高速前飞各种飞行状态下的操纵量和状态量,分析了复合式共轴直升机飞行的物理...     

新型旋翼推进式无人飞艇气动特性研究

为了解新型旋翼推进式无人飞艇推进旋翼与气囊之间的气动作用,通过流体仿真、采用SIMPLE算法和Spalart-Allmaras湍流模型对两种旋翼安装方案的气动特性进行了模拟分析,并初步确定了旋翼安装方式及结构。数值模拟结果表明,推进式安装方式推进效率远比拉进式安装方式要高,旋翼与气囊之间的距离对推进效率有一定的影响。     

旋翼推进式无人飞艇气动特性分析

为了获得推进式旋翼飞艇的优化设计方案,探索无人飞艇横列式双旋翼之间的距离对旋翼间气动干扰以及对飞艇整体的气动力影响规律,并据此确定横列式双旋翼的安装方式,基于计算流体力学数值模拟技术,采用多重参考系模型(MRF)对横列式双旋翼及气囊整体的流场进行定常数值模拟。结果表明:旋翼自身受双旋翼安装距离的影响很小,而整机的气动性能受双旋翼距离的影响很大;综合考虑,双旋翼安装距离应略大于气囊直径。     

复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析

对复合式高速直升机的旋翼两侧不同强度下洗流对机翼的气动干扰分析,可以为类似构型直升机的气动外形设计及优化提供一定的参考。采用动量源方法对复合式高速直升机悬停及前飞状态的流场进行数值模拟,分析旋翼两侧不同强度的下洗流对机翼的气动影响,研究改变旋翼桨盘高度和机翼展弦比对气动特性的影响。结果表明：复合式高速直升机前飞时,随着旋翼桨盘的增高,两侧机翼升力差峰值减小,且峰值落在更小速度处;随着机翼展弦比的增大,两侧机翼升力差峰值减小,且在峰值后同一速度下,机翼越细长两侧升力差越小。     

NASA调整航空研究重点计划

美国航空航天局（ＮＡＳＡ）一直在寻找一个能带动整个航空工业的大型研究计划，先是“革命性概念” 计划，包括翼身融合体／联合机翼运输机、主动气动弹性机翼、一种旋翼可以在飞行中被锁住成为固定翼的带有前翼／机翼的复合式飞行器和长续航时间的“蜂鸟”无人机等。现在又准备出台“２１世纪航空发展展望”规划，其中有“变形”飞机、“先进航空飞行器”等     

涵道式垂直起降固定翼无人机过渡走廊研究

过渡走廊的准确描述对垂直起降固定翼无人机飞行过程具有重要意义。为研究垂直起降固定翼无人机的过渡飞行过程,扩大过渡飞行走廊包线,本文建立此类无人机的过渡走廊模型,从飞行力学角度以机翼最大升力系数和系统可用功率对动力增升系统偏角—速度包线进行研究,分析无人机气动参数和功率参数对动力增升系统偏角—速度包线的影响;根据过渡走廊...     

飞翼布局无人机变形机翼设计与模型验证研究

对飞翼布局无人机变形机翼和变形机翼传动机构进行了设计,根据设计结果制作验证模型进行风洞实验和外场飞行试验,以此研究伸缩段机翼对飞行器机翼整体气动性能的影响。结果表明:采用变形机翼技术,可以通过实时控制机翼的气动外形保持较高的气动效率,提高飞机在巡航状态下的升力和高速飞行状态下的机动性,满足飞机在各种任务剖面的战术性能要求。     

螺旋桨滑流对菱形翼布局无人机气动的影响

采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navior-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）方法对带桨状态的低雷诺数菱形翼布局无人机（UAV）的气动特性进行了准定常数值模拟,通过对无人机带桨状态和干净构型的气动力系数及流场结构特性进行对比分析,研究了螺旋桨在不同安装位置时其滑流对菱形翼布局无人机气动特性的影响。研究结果表明,螺旋桨滑流并不总能提高无人机的升力特性;螺旋桨安装在机头及前翼时后翼受到螺旋桨滑流形成的组合涡系的影响,其气动性能有较大的变化;螺旋桨滑流对机翼的增升作用还受到机翼掠角和螺旋桨旋转方向的影响;受布局特性影响,当安装位置远离焦点时,螺旋桨滑流对无人机的俯仰力矩特性影响较大。     

基于遥测数据的无人机气动参数辨识方法研究

针对无人机在高空低速飞行时易受风场影响及在数据分析时遥测数据不完备的问题,进行了气动参数辨识方法研究,提出了基于空速管平面矢量三角形的风场估计方法及基于风场信息修正的气动角估计方法。以某型无人机为例,对遥测数据进行了充分分析与信息综合,运用逐步回归方法进行了纵向气动参数辨识,并进行了实验验证。结果表明,模型计算结果与实测数据吻合较好,说明所提方法有效。考虑到辨识模型的数学本质,该方法对其他固定翼无人机同样适用。     

六旋翼无人机的飞行力学建模研究

为开展六旋翼无人机的全机飞行力学建模研究,针对六旋翼无人机的前飞和非定常飞行要求,引入了动量叶素理论和动态人流理论对旋翼气动力进行分析.根据无人机的变转速控制方式,增加了旋翼转速变化对机身运动的影响项,推导了使六旋翼总需用功率最小的拉力分配优化方法,建立了六旋翼无人机的飞行力学模型.气动力计算结果表明,新建立的旋翼气动力计算方法精度高于现有的比例系数法.     

大展弦比机翼气动外形设计方案研究

根据传统机翼气动外形设计的方案,结合CAD与CFD软件,本文提出了一套机翼气动外形设计流程,包括翼型选择、机翼平面参数确定、建立三维机翼外形模型、流场网格划分和典型飞行条件下的气动计算等多个部分。依据该流程,完成了一个满足设计指标的无人机大展弦比机翼外形的设计,充分说明了该机翼气动外形设计流程的技术可行性。     

双喉道喷管与飞翼布局无人机气动数值研究

利用超椭圆方法,设计了双喉道射流矢量喷管的气动外形,并采用S-A湍流模型数值研究了次主流压比、次流方向及喷管外形参数对其气动特性的影响。研究表明,当确定次主流压比SPR=3时,可依次确定该型喷管外形参数分别为空腔长度l=3h,空腔扩张角θ1=10°,空腔收敛角θ2=30°,二次流注入角α=120°时,矢量喷管的气动特性最优。将设计的气动最优喷管与飞翼布局无人机后体进行一体化设计,数值模拟了喷管对飞翼布局无人机升阻特性的影响,结果表明,双喉道射流矢量喷管能够很好地运用于飞翼布局无人机。