一种连翼飞行器气动和飞行力学迭代仿真方法

根据连翼布局飞行器气动力和力矩的分布特点，建立了面向其气动部件的飞行力学数学模型。将计算流体力学(CFD)和飞行力学仿真结合，采用时间步长离散，建立了一个能通过气动计算和飞行力学相互迭代来完成仿真全过程的面向连翼布局飞行器气动部件的仿真平台，并且在仿真过程中能全程监测所有部件的气动、动力学、姿态和航迹参数的变化。通过该仿真平台对不同输入信号作用下的动力学响应分析了连翼布局飞行器纵向和横侧向的动力学特性。仿真分析结果表明:该连翼布局飞行器纵向具备静稳定性，但横侧向不具备静稳定性。同时，横向和航向运动耦合明显，符合荷兰滚运动偏航及侧滑振荡明显的主要特征。所提方法可为了解连翼布局飞行器本体及飞行动力学响应特性、飞行品质和飞行安全研究等工作提供分析基础。      

多旋翼无人飞行器必要建模因素

近年来多旋翼无人飞行器(UAV)成为了小型无人飞行器发展的热门领域,而学界对于多旋翼飞行器飞行力学建模与飞行力学特性分析的研究还相对较少。针对相关研究需求,基于传统旋翼模型,建立了适用于多旋翼无人飞行器的飞行力学模型,并利用此模型对多旋翼无人飞行器悬停模态特性进行了初步分析,结果显示多旋翼飞行器模态稳定性明显弱于传统直升机,且横向Phugoid模态取代了荷兰滚模态。随后利用弱耦合系统理论与纵向模态简化模型,对多旋翼建模过程中的旋翼旋转自由度(DOF)动态特性、入流模型和旋翼气动力矩的建模必要性进行了研究。分析表明,旋翼旋转自由度的动态特性在飞控增稳条件下对全机特性有着重要影响,入流分布对刚性旋翼的俯仰、滚转气动力矩有着决定性作用,而旋翼气动力矩是决定多旋翼悬停模态的重要因素,这三者在多旋翼建模分析中不能忽略。     

基于非线性模态的航天器铰接结构基频特性研究

将航天器铰接结构简化为具有局部铰链非线性约束的多自由度系统,提出了对该类非线性系统动力学特性进行分析的方法。即首先通过拟合模态方法建立铰接结构系统的非线性动力学模型,然后通过数值方法得到系统的非线性模态,并以之为基础对铰接结构的基频特性进行研究。     

机翼前缘积冰对大飞机操稳特性的影响

机翼结冰影响飞机的操稳特性和飞行性能,对飞行安全造成危害。基于实验数据构建了典型的不同结冰严重程度的机翼前缘积冰冰形,采用高精度数值模拟方法得到背景飞机机翼前缘积冰的气动数据,建立了飞机六自由度非线性动力学模型,在此基础上设计了俯仰角保持、滚转角保持及高度保持模式的自动驾驶仪闭环仿真系统。通过开环仿真,分析了不同程度积冰对飞机配平特性、纵向长短周期模态及横航向模态的影响,比较了不同程度积冰情形下飞机动态响应的差异。通过闭环仿真,研究了积冰对3种模式下自动驾驶性能的影响。仿真结果表明:积冰对飞机配平特性、模态特性及开环动态响应特性均会造成一定的不良影响,威胁飞行安全。      

类X-51A飞行器纵向机动数值虚拟飞行仿真

吸气式高超声速飞行器在机动过程中，由于构型复杂，气动特性呈现强烈的非定常特性。传统基于数据库或气动力模型的飞行仿真不能准确描述机动过程中复杂的气动特性和运动规律。针对这一问题，基于现代软件分布式、模块化的发展趋势，建立了一个高效的数值虚拟飞行仿真平台。利用该平台，对一种类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器开展了纵向机动闭环数值仿真，并与工程方法的结果进行了对比。研究发现:对于类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器，在纵向拉起时，工程方法给出的结果可能不能完全反映非定常效应的影响。此时，应该采用更为精确的虚拟飞行方法来研究飞行器的闭环响应特性。此外，借助该仿真平台还研究了舵回路时间常数对控制系统的影响，为控制律设计提供了一定的参考。      

一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化,基于Kane方法,将变体运动假设为已知的可控输入,利用约束方程来表示机翼的变形运动,选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率,建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型.定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响,仿真结果表明,在平稳飞行条件下,相对于变形引起的空气动力的变化,机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小.在不同的变形速度下,对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析,仿真结果表明,变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大变化.      

考虑弹性影响的乘波体飞行动力学特性

针对典型的吸气式乘波体构型高超声速飞行器,研究了结构弹性对纵向静态特性和飞行动力学特性的影响.使用当地流活塞理论给出了高超声速非定常气动力模型,并结合简化的超燃冲压发动机模型及弹性机体结构模型,建立了考虑气动/结构/推进耦合的飞行器非线性纵向动力学模型.基于该模型分析了机体弯曲刚度变化对飞行器定常平飞配平参数、飞行包线以及动力学系统开环零极点的影响.结果表明:机体结构刚度降低将使配平升阻比减小,动稳定性变差,并且当其低于某一临界值时,升降舵配平特性将由正操纵变为反操纵.     

基于变弯度后缘的机翼阵风响应减缓数值研究

针对带有变弯度后缘的机翼建立了阵风响应分析的数学模型，并开展了阵风响应减缓的仿真研究。采用计算流体力学（CFD）方法计算变弯度后缘给定动态偏转运动下的广义非定常气动力，并基于状态观测器法辨识CFD数据建立后缘动态偏转下的广义气动力模型，采用面元法计算模态运动、阵风引起的广义气动力，利用广义预测控制（GPC）方法设计阵风减缓控制律，在此基础上对变弯度后缘与传统铰链舵面动态气动力特性进行对比。仿真结果表明：基于变弯度后缘的GPC方法能够有效减缓由阵风引起的机翼翼尖加速度响应，翼尖加速度减缓效率为44.33%；相比传统铰链舵面，变弯度后缘偏转时弦向剖面上下表面压力分布更连续，相同舵偏下对机翼动态气动力影响更大，阵风响应减缓效率也更高，采用变弯度后缘进行阵风减缓具有更为广阔的应用前景。     

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。     

基于混合遗传算法的直升机前推/后拉配平

针对直升机配平模型为多元且初始值难以确定的非线性方程组,以及全局最优解不唯一等问题,发展了一种基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。介绍了直升机各个模块动力学方程。其中在旋翼建模中,考虑实际飞行环境下桨叶的运动和操纵特性,以动态入流和叶素法为理论基础,建立了具有配平特性的旋翼气动力模型。基于直升机飞行仿真动力学模型,详细推导了前推/后拉的配平变量和约束方程。通过构造目标函数,将全机配平问题转化为优化问题。通过计算UH-60A直升机在前推/后拉的配平解,并与飞行测试数据进行比较验证。结果表明,前推配平结果与飞行数据有偏差,后拉配平结果与飞行数据吻合。旋翼非定常气动特性是引起总距和脚蹬配平计算误差的主要原因。建立的配平算法适用于直升机不同稳定飞行条件下的仿真。     

积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响

提出了一种根据气象条件、飞机特征、飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法.采用热力学平衡分析方法完成了积冰增长过程的数学描述,利用逐步线性回归方法建立了结冰飞机的气动模型,计算得到了结冰飞机的气动参数,计算结果与试验结果吻合较好,表明这种方法具有一定的工程实用性.并在此基础上研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响,通过数值仿真计算得出,结冰飞机气动特性的急剧恶化会导致其纵向操稳特性显著降低,严重时会危及其飞行安全.      

高超声速飞行器刚体／弹性体耦合动力学建模

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质复合材料、薄壁结构等,导致结构振动与刚体运动频率非常接近,给飞行器制导控制系统设计带来了巨大挑战.针对该类飞行器的特点,考虑结构的横向位移,将机身前后体简化为于质心处固联的2根悬臂梁,并从统一的能量观点出发,基于拉格朗日方程与虚功原理,在纵向平面推导出适合高超声速飞行器的刚体/弹性体耦合动力学模型.通过对比耦合模型与传统刚体模型的极点分布情况,发现结构振动与刚体短周期模态紧密耦合,离心力的引入影响了高度与长周期模态,对高超声速飞行器航迹运动的作用不可忽视.最后分析了飞行速度与结构阻尼变化对耦合模型动态性能的影响.结果证明飞行速度对刚体运动模态影响显著,而结构阻尼的变化主要改变弹性模态.     

飞翼布局飞机舵面偏转速率设计

舵面偏转速率的大小是飞机飞行控制系统设计的重要约束之一.当偏转速率饱和时,在外界干扰或操纵下,飞机可能进入自激振荡(PIO)状态,导致飞行品质下降.建立了飞翼布局飞机舵面偏转速率限制值的设计方法,给出了某大展弦比飞翼布局飞机的三轴主操纵面偏转速率设计的算例,分析了偏转速率限制对飞机动态响应特性的影响及其与飞机本体气动导数、转动惯量、展弦比构成的组合参数间的关系.结果表明:对于大展弦比飞翼布局飞机而言,其横向主操纵面偏转速率限制值要求最高,纵向次之,航向最低.研究方法和结果可用于飞翼布局飞机的操纵舵面与飞行控制系统初步设计时参考.      

基于DDPG算法的变体飞行器自主变形决策

针对变体飞行器的自主变形决策问题，提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的智能二维变形决策方法。以可同时变展长及后掠角的飞行器为研究对象，利用DATCOM计算气动数据，并通过分析获得变形量与气动特性之间关系；基于给定的展长和后掠角变形动力学方程，设计DDPG算法学习步骤；针对对称和不对称变形条件下的变形策略进行学习训练。仿真结果表明:所提算法可以快速收敛，变形误差保持在3%以内，训练好的神经网络提高了变体飞行器对不同飞行任务的适应性，可以在不同的飞行环境中获得最佳的飞行性能。