Dynamics Analysis of Close-coupling Multiple Helicopters System

The particularity and practicality of harmony operations of close-coupling multiple helicopters indicate that the researches on it are urgent and necessary, Using the model that describes two hovering helicopters carrying one heavy load, an inertia coordinate system and body coordinate systems of each sub-system are established. A nonlinear force model is established too. The equilibrium computation results can be regarded as the reference control inputs of the flight control system under hovering or low-speed flight condition. After the establishment of a translation kinematics model and a posture kinematics model, a coupling dynamics model of the multiple helicopter system is set up. The results can also be regarded as the base to analyze stabilization and design a controller for a close-coupling multiple helicopters harmony operation system.     

直升机/发动机系统综合控制半物理仿真

基于直升机/发动机系统综合控制半物理仿真试验平台,针对直升机/发动机系统综合模型和综合控制算法进行数字与半物理仿真试验研究.提出了一种串级PID(proportional integration differential)+扭矩前馈+总距补偿的系统抗扰控制算法,并提出了基于机载简化发动机模型的多模式综合实时优化控制算法.试验结果表明:所建立的 直升机/发动机系统综合开闭环模型能够模拟发动机从起动到慢车再到直升机飞行的整个过程,自由涡轮转速超调量和下垂量均在4%以内,在不同飞行条件下,动静态品质均满足设计要求.本文还进行了综合系统多模式优化技术的半物理仿真,结果表明所设计综合控制律的良好工程应用前景.      

直升机飞行载荷应用探讨

直升机载荷在结构设计和验证中起着关键性的作用。90年代以来,直升机的飞行载荷测量技术得到了飞速发展,使全面获得各型号的飞行载荷成为了可能。基于飞行载荷实测数据,从飞行载荷与旋翼构型的关系、影响飞行载荷的因素、状态载荷的分布规律,以及飞行载荷与故障的相关性等几方面对如何拓展飞行载荷的应用范围进行了初步探讨,为充分发挥飞行载荷历史数据在新机研制的设计、试验和试飞验证中的作用提供思路。     

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。     

民用直升机电传飞控系统适航专用条件分析

先进电传飞行控制系统能够在很大程度上提升民用直升机的操纵性与稳定性,但这种新颖设计给安全性的评估带来了巨大挑战。传统的适航条款可能无法完全覆盖电传飞控直升机的设计特征,需要制定相应的专用条件来判断直升机设计是否满足适航要求。本文围绕直升机电传飞控系统结构交联、操纵权限感知、飞行机组告警、飞行包线保护、指令信号完整性五种专用条件,指出专用条件关注的技术内容;说明条款制定的背景和意义,给出现有的符合性方法及验证技术,并提出直升机电传飞控在型号论证和设计过程中的关键技术问题。本文研究可为民用直升机的适航设计与审定提供一定参考。     

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。      

一种无人直升机自动起降控制策略

无人直升机起降的关键是纵横向姿态保持和滑移控制,以及垂向升降速度的平稳性控制,避免纵横向滑移时受地面约束而引起倾翻和垂向近地颠簸。提出一种无人直升机自动起降控制策略,纵横向利用地面支撑力、姿态和滑移构成反馈控制,垂向利用地面支撑力判断离地和着陆,并通过高度指令牵引控制升降速度。引入地面支撑力反馈控制确保离地瞬时纵横向力和力矩平衡,使无人直升机离地时失去地面约束后能够垂直起飞,引入姿态和滑移反馈抑制无人直升机起降过程中姿态变化和滑移,两者本质上构成并联控制。该策略在某无人直升机试飞试验中获得了成功应用,为无人直升机自动起降技术发展提供有益的借鉴经验。     

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。     

OPTIMIZATION DESIGN OF HELICOPTER FOR PRELIMINARY PARAMETERS

ＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＤＥＳＩＧＮＯＦＨＥＬＩＣＯＰＴＥＲＦＯＲＰＲＥＬＩＭＩＮＡＲＹＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳＧｕｏＣａｉｇｅｎ（ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｅｌｉｃｏｐｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏ...     

直升机稳定转弯飞行中的运动学问题研究

阐明了转弯飞行是直升机的基本机动科目,现有的运动学问题研究仅从性能的角度出发,分析转弯过程中的过载、转弯半径等,忽略了转弯过程中的迎角、侧滑角、姿态和角速度等运动参数的变化,因而不能合理地预测转弯过程中旋翼的真实能力、直升机的机动性能及飞行轨迹。文中着重介绍了一种直升机稳定转弯时的运动学分析方法,该方法建立了不同稳定转弯条件下,速度、迎角、侧滑角与过载系数、姿态、角速度之间的关系,定量分析了不同稳定转弯条件对直升机角速度和姿态的影响。     

直升机旋翼轴弯矩特征及应用

针对球柔性桨毂构型的直升机,分析了各支臂mΩ挥舞力动载、挥舞力静载不平衡量和摆振力动载、离心力动载、离心力静载不平衡量产生的旋翼轴弯矩的幅值、频率、相位和分布规律。对某直升机制定了飞行载荷测量方案,获取了测量数据,分析了旋翼轴弯矩的特征,建立了有效性判据,判别了无效数据,编制了实测载荷谱。某直升机的分析结果表明：在旋翼坐标系下旋翼轴动弯矩远大于静弯矩,旋翼各支臂挥舞力静载不平衡量和和离心力静载不平衡量较小;旋翼轴弯矩以1Ω载荷为主,主要由旋翼各支臂1Ω的挥舞力、摆振力和离心力产生;合成弯矩呈大小相等的旋转弯矩特征,沿旋翼轴不同周向位置的弯矩幅值相近,相位差与周向的夹角相同。     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

计及诱速和风切变的直升机自转前飞特性

研究直升机自转前飞时在风切变条件下的稳定性和操纵性。风切变采用非线性模型，旋翼模型考虑桨叶的刚性挥舞运动，桨叶根部具有水平铰外伸量和弹性约束，诱速在桨盘处的分布采用固定涡系所表示的诱速非均匀分布模型，以Ｚ９飞机为算例，算出计及风切变与否的自转前飞平衡参数和稳定根及操纵响应，显示了风切变对自转前飞操稳特性的影响。     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.     

直升机操纵杆振动特性测量与分析

基于直升机铰链力矩的研究成果,建立了倾斜器操纵杆载荷的计算模型.在参考常规飞机测试元件的基础上,研制了具有足够强度和灵敏度的测力元件,通过地面试验解决了测量精度与飞行安全之间的矛盾,成功地进行了飞行试验, 并获得操纵杆载荷这一重要参数.本文计算结果与试验数据基本一致,激振力的频率与主旋翼的1倍和2倍频率接近.可以满足工程计算要求,为直升机操纵系统的设计和检验提供依据.      

小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

直升机空中振荡故障的试验研究与预防

 首先概述了故障的主要现象与特征。然后着重描述了直升机空中振荡故障的试验研究:包括研究途径;直升机模型的建立;两个回路振荡试验及其主要研究结果。据此提出了在设计,使用中的一些预防原则和措施。     

常规旋翼构型复合式高速直升机发展概况及关键技术

对常规旋翼构型复合式高速直升机的发展概况及关键技术进行了综述。首先,结合常规旋翼构型复合式高速直升机的布局型式及操纵方式,介绍了该构型复合式直升机的一般概念。然后,根据常规旋翼构型复合式高速直升机的前飞动力结构特点,将其分为三种类型,并分别对不同类型复合式直升机的布局型式及其发展概况进行了梳理。在此基础上,针对目前该构型高速直升机所面临的问题,总结了该构型直升机的总体布局设计与优化、过渡模态操纵分配设计等关键技术。最后,结合国内外高速直升机的发展趋势,以及该构型高速直升机的特点,分析了常规旋翼构型复合式高速直升机的发展前景,并对其在我国的发展提出了初步建议。      

Dynamic response analysis under atmospheric disturbances for helicopters based on elastic blades

A flight dynamics model based on elastic blades for helicopters is developed. Modal shape analysis is used to describe the rotating elastic blades for the purpose of reducing the elastic degrees of freedom for blades. The analytical result is employed to predict the rotor forces and moments. The equilibrium equation of the flight dynamics model is then constructed for the elastic motion for blades and the rigid motion for other parts. The nonlinear equation is further simplified, and the gradient descent algorithm is adopted to implement the trim simulation. The trim analysis shows that the effect of blade elasticity on the accuracy of rotor forces and moments is apparent at high speed, and the proposed method presents good accuracy for trim performance. The time-domain response is realized by a combination of the Newmark method and the adaptive Runge-Kutta method. The helicopter control responses of collective pitch show that the response accuracy of the model at a yaw-and-pitch attitude is improved. Finally, the influence of blade elasticity on the helicopter dynamic response in low-altitude wind shear is investigated. An increase in blade elastic-ity reduces the oscillation amplitude of the yaw angle and the vertical speed by more than 70%. Compared with a rigid blade, an elastic blade reduces the vibration frequency of the angular veloc-ity and results in a fast return of the helicopter to its stable flight.