直升机-吊挂耦合系统平衡特性和稳定性分析

基于单质点吊挂假设,建立了直升机-吊挂耦合系统的非线性动力学模型。在该假设下,吊挂将引入额外的自由度和约束,使运动方程增加4阶,且为隐式的微分代数方程组。通过将惯性力中的广义加速度项与广义速度的二次项分离,可将运动方程转化为显式的微分方程组。针对无吊挂的直升机本体和直升机-吊挂耦合系统这两种模型,采用直接数值方法,计算了它们以不同速度做零侧滑定直平飞的配平状态,并结合飞行试验数据进行对比。进一步对两种模型进行了小扰动线化处理,分析其运动模态并进行对比。结果表明,单质点吊挂会给系统引入两个新的运动模态,使得吊挂两个自由度上的运动与直升机高度响应产生耦合,同时改变直升机本体各个模态的特性,会使部分模态响应品质变坏。     

直升机前飞吊挂飞行动力学响应分析

建立了带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中旋翼诱导速度场计算采用了广义动态入流理论模型并添加了畸变项,用以考虑从加速过程的尾迹畸变和附加非定常效应;旋翼气动载荷模型采用了翼型大角度范围插值技术,并结合经典薄翼型理论建立综合的非定常气动载荷模型.还建立了六自由度吊挂载荷模型,其中吊索采用了柔性钢索模型,计入了吊挂模型的气动阻力.通过仿真计算分析了吊挂前飞状态下总距阶跃操纵输入以及前推杆阶跃操纵输入时直升机及吊挂动力学响应历程.     

多直升机协调吊挂系统飞行力学建模与特性分析

对多直升机协调吊挂系统中每一架直升机与外吊挂载荷分别建立他们的飞行动力学模型,将弹性吊索视为弹簧阻尼系统,建立弹性吊索数学模型;然后通过弹性吊索动力学将多直升机与吊挂载荷的运动耦合到一起,建立了通用的多直升机协调吊挂系统仿真模型;最后,针对单、四直升机协调吊挂系统建立了仿真验证模型,对直升机协调吊挂系统的稳定性、配平特性进行了分析.仿真结果表明外挂载荷对直升机的稳定性和配平特性产生了较大影响,通过分析证明了仿真结果的合理性,同时证明本文提出的多直升机协调吊挂系统飞行动力学建模方法的可行性.     

直升机吊挂构型计算及稳定性分析

针对特定的直升机吊挂载荷飞行任务,给出了吊挂几何构型的计算方法,计算了吊挂的几何参数和绳索内力,并在此基础上分析了飞行速度和吊挂重量对几何构型的影响.针对特定的飞行任务,考虑吊挂的几何尺寸和详细构型,在已有模型的基础上进行了改进和配平计算,配平结果与以前的结论吻合得很好,证明模型可用.计算并分析了不同速度、吊挂参数下系统的平衡和稳定特性.结果表明:带吊挂飞行的直升机,速度增加可以改善横向的螺旋不稳定,但对纵横向的周期模态都会产生不利影响.     

超小型直升机动力学模型的建模、辨识与验证

为实现超小型直升机的自动控制飞行,需建立较为精确的动力学模型.考虑机体、主旋翼/稳定杆和尾桨间的耦合对飞行动态特性的影响,建立了AF25B型超小型直升机的连续线性时不变系统模型.设计并配置了机载设备,完成在遥控飞行状态下的飞行数据采集与存储.通过时域系统辨识方法,辨识了直升机在悬停状态下的模型参数,并对辨识结果进行验证和分析,表明所建模型能充分反映该型直升机悬停状态下的动态特性.     

气动布局参数对直升机飞行品质的影响

以UH-60A直升机为例,建立了适合于飞行品质评价的直升机非线性飞行动力学模型,对算例机模型进行配平验证,并计算了稳定性、操纵性导数.计算结果与参考数据吻合较好,证明模型可用.根据军用直升机飞行品质规范（GJB902—90）,选取的典型气动布局参数,计算了不同参数下的直升机的动态响应特性和操纵特性,分析了飞行品质对设计参数的敏感性.结果表明,旋翼高度对各项飞行品质指标都有明显的影响,降低尾桨高度能显著提升滚转操纵功效的品质等级,尾桨纵向位置是影响偏航操纵功效和偏航操纵灵敏度的主要因素.      

基于DE算法的共轴直升机模型辨识及精度分析

由于共轴直升机特有的旋翼布局引发了上下旋翼间强烈的气动干扰,采用传统的理论分析和风洞试验的方法难以获得适用于共轴直升机控制系统的飞行动力学模型.为此,设计了飞行扫频试验,根据飞行试验数据得到了悬停状态下包含共轴直升机飞行动力学模型耦合特性的非参数频率响应,运用仿生智能计算方法中的微分进化(DE,Differential Evolution)算法拟合频率响应建立了悬停状态下的共轴直升机状态空间模型.利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算,说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度.通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据的结果,说明辨识得到的模型能充分反映共轴直升机的飞行动力学特性,可用于飞行品质评估和飞控系统设计.     

无人直升机LPV控制律设计

针对无人直升机航迹控制要求,提出一种基于线性变参数(LPV)控制理论的无人直升机一体化式飞行控制律设计方法,通过速度、侧滑角、高度和偏航角控制通道的显模型跟踪控制,实现无人直升机航迹控制。建立了无人直升机高阶非线性动力学模型,模型中考虑了旋翼桨叶挥舞和摆振运动、旋翼动态入流、机体运动之间的运动耦合,用于检验直升机高阶运动特性对控制律性能和闭环系统稳定性的影响。由于无人直升机的非线性动力学模型是典型的周期性系统,基于简谐平衡方法进行无人直升机的配平和模型线性化计算,在速度包线内得到用于控制律设计的无人直升机LPV模型,通过凸函数优化方法求解LPV控制律的参数。基于典型直升机机动,采用数值仿真方法对LPV控制律在传感器噪声影响下的控制性能进行检验,仿真结果表明：LPV控制律在速度包线内具有良好的控制性能和鲁棒性,无人直升机闭环系统在机动飞行中满足给定的性能要求。     

大展弦比飞翼作战飞机横航向飞行品质特性

基于MIL-STD-1797A飞行品质规范,开展了针对大展弦比飞翼作战飞机滚转轴和偏航轴飞行品质特性的研究.随着控制系统对系统动态特性调节作用的日益增强,由飞机构型所引起的动态响应特性差异已变得越来越小,飞翼飞机的闭环滚转模态、螺旋模态、滚转-螺旋耦合振荡、荷兰滚模态、驾驶员座位处的侧向加速度等均可达到较好的飞行品质,但稳态配平特性主要受构型的影响,不能完全满足飞行品质的要求;分析了大展弦比飞翼作战飞机在快速滚转、侧风起降和非对称推力情形下的对滚转轴和偏航轴操纵效能的要求,由于气动构型和操纵面配置等差异,大展弦比飞翼作战飞机在完成某些飞行任务时对操纵效能的需求与常规构型的飞机存在着较大差异.     

直升机尾桨完全失效后自转着陆轨迹优化

为了研究直升机尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程,建立相应的飞行动力学模型并采用最优控制方法进行计算分析。建立直升机6自由度刚体飞行动力学模型,在模型中加入可以描述尾桨完全失效和自转着陆阶段发动机出轴功率以及旋翼转速变化的相关方程,并将直升机尾桨完全失效后的自转着陆问题转换为非线性最优控制问题进行求解。以某型号单旋翼带尾桨直升机为样机,计算空中停车自转着陆过程,并与飞行试验数据进行对比,验证了所建模型和最优控制方法的准确性。计算分析该型号直升机在以巡航速度下前飞时,尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程。从结果可以看出:尾桨完全失效时,直升机在旋翼反扭矩的作用下会产生较大的偏航角速度和侧滑角变化,进而产生复杂的耦合运动,驾驶员在关闭发动机进行自转着陆操作的同时,还需要通过操纵横向周期变距稳定滚转角,并以侧滑的方式来稳定横航向的姿态角,最后安全着陆。计算得到的最优轨迹和操纵过程,与工程试飞得出的定性的结论和建议相符。      

直升机吊挂流场数值模拟与尾鳍设计分析

根据已知的直升机吊挂的几何尺寸,利用CAD软件建立了两种吊挂的三维模型.利用图像测绘的方法对第1种吊挂尾鳍进行了初步设计,通过计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法对带尾鳍的吊挂模型进行了计算与分析,气动力计算结果与理论计算结果吻合较好.此外,对第2种UH-60黑鹰直升机带尾鳍吊挂进行了CFD计算,考察了尾鳍对吊挂流场的影响.通过对两种带尾鳍的直升机吊挂情况的计算分析,证明了尾鳍对保证吊挂在飞行过程中的航向稳定性具有关键的作用,进而提出了一种基于无空气阻尼力假设的直升机吊挂尾鳍尺寸的设计方法,并对第2种吊挂状态下的尾鳍尺寸进行了计算设计.计算所得到的尾鳍面积对航向稳定性的影响结果与国外风洞实验结果保持一致.     

直升机机动飞行逆仿真研究

对直升机典型机动飞行做逆仿真数值计算与分析.逆仿真中采用了较为复杂的非线性飞行动力学模型,包括非均匀入流、机身非线性气动力以及包含机身运动耦合的旋翼挥舞运动与作用力模型.提出了与非线性模型相适应的逆仿真算法,并将组合迭代方法用于求解广义非线性代数方程组.对跨越障碍(pop-up)和180°水平转弯(level turn)机动进行机动性描述.以某型直升机为例,对跨越障碍和180°水平转弯两种典型的机动动作进行逆仿真计算与分析.     

高超声速飞行器纵向系统鲁棒协调控制器设计

飞行器在高超声速阶段,强非线性耦合与不确定性问题给飞行控制系统的设计带来了巨大的挑战。为了研究高超声速飞行器纵向控制系统中的间耦合关系,基于高超声速纵向非线性模型,对其状态变量组与输入变量组进行了耦合采样分析。同时考虑到系统的不确定性提出了一种分层鲁棒协调控制策略。对高超声速纵向的高度和速度子系统设计鲁棒与耦合补偿控制器,对姿态子系统设计鲁棒与耦合转换控制器。利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性。仿真表明该控制方法可以有效的应对纵向系统间的强耦合问题。     

旋翼/平尾气动干扰对直升机配平特性的影响分析

旋翼/平尾气动干扰建模是直升机全机配平模型和飞行动力学模型的核心内容。常规全机配平模型主要通过旋翼下洗流或诱导速度等方式间接考虑旋翼对平尾的气动干扰作用,但未充分考虑旋翼对平尾非定常气动干扰产生的非线性气动载荷,因而仍难于准确体现旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响。为此本文基于非定常面元/黏性涡粒子法,通过在平尾面元中增加由旋翼和平尾尾迹时变干扰产生的非定常压力项,建立旋翼/平尾气动干扰模型,直接计算平尾非线性气动载荷,并耦合基于GA/LM混合优化的直升机全机配平方法,构建旋翼/平尾气动干扰作用下的直升机全机配平特性分析方法。通过计算UH-60A直升机的旋翼操纵量和机体姿态,并与试验测试值对比验证本文方法的准确性。通过与基于诱导速度考虑旋翼/平尾气动干扰的直升机配平结果比较表明,后者难于体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增现象,而本文方法能较好地体现直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增,且与OH-6A、EH-101等试验测量的特性一致。研究不同平尾构型对旋翼/平尾气动干扰下直升机全机配平特性的影响,分析表明低平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,而高平尾则增加高速纵向操纵量;前置平尾产生较大的低速纵向操纵量突增,右旋直升机的右置平尾有利于减小低速纵向操纵量突增和机体俯仰角。      

风切变场中直升机前飞状态动态响应

为解决复杂风切变场中直升机运动的数值仿真,把握非线性直升机模型在风场中的响应特性,建立了一维、二维的风切变模型,采用直升机非线性飞行动力学模型,考虑直升机的控制系统,用四阶龙格－库塔法数值仿真直升机在风场中的前飞运动.对水平风和铅垂风的各个梯度场对响应的影响进行比较.结果表明,水平风和铅垂风的各个梯度场对响应的影响是不同的,此研究中二维空间的组合梯度场构成更为危险的飞行环境;在不同的情况下其作用是不可忽略的,尤其注意在低空飞行状态下对直升机飞行性能的影响.也进一步说明此数值仿真法对非线性直升机模型在复杂风场中响应研究实用有效.     

一种前飞状态直升机可达区域快速计算方法

直升机可达区域可用于生成空域安全态势,提高直升机在低空复杂环境中的飞行安全水平.为了满足求解可达区域的实时性和准确性要求,提出了一种快速计算方法.根据能量机动性求解了直升机控制域,结合运动学方程建立了可达区域数学模型.基于最优控制原理,实现了边界点快速计算;提出了基本可达区域的概念,将实时可达区域构造问题转化为少量边界点的计算问题.以AH-1G直升机为对象进行了二维和三维的算例分析,并与微分包含法计算结果进行了对比.算例结果表明,直升机控制域是时变的,需根据实时飞行状态进行计算;该算法能实时计算前飞状态直升机的可达区域,有较高的计算精度.