基于受限参变率的飞翼无人机舵面阵风减缓控制

飞翼无人机具有俯仰惯量低、纵向稳定性弱等问题，使其阵风响应对飞行参数的变化较为敏感，并且飞翼无人机的舵面较多，不同的控制策略下阵风减缓的效果不同。因此，对这类飞行器进行考虑参数变化率阵风减缓线性变参数（LPV）控制律设计，并对不同舵面组合方式的控制性能展开对比研究。结合参数依赖的Lyapunov函数方法和变参斜投影降阶算法，构建了同时考虑参数变化率限制和模型降阶条件的LPV阵风减缓控制器。基于该方法对Mini-MUTT飞翼无人机模型设计LPV阵风减缓控制器；探究了不同舵面控制策略对减缓效果的影响。结果表明:采用变参斜投影降阶算法得到的降阶模型可有效表征全阶模型的动力学特性；设计的LPV阵风减缓控制器能够保证阵风在较宽速度范围内有效减缓；在单一舵面阵风减缓中，置于外侧的舵面控制效果优于内侧舵面；而在双舵面阵风减缓中，双舵面的控制效果优于单一舵面，但控制所需输入能量也会增加。在工程应用中需要针对具体问题，综合考虑控制效果和能量消耗以确定合适的控制策略。      

大展弦比飞翼构型飞机阵风载荷减缓控制

大展弦比飞翼构型具有优越的气动和隐身特性,但由于构型原因无法配置常规操纵面,因此常规构型飞机的阵风减缓控制方法不再适用. 研究了大展弦比飞翼构型飞机新型多操纵面的典型配置方案,同时对其应用直接升力方法进行阵风减缓控制时的新的操纵及控制原理进行 了分析.采用极点配置方法设计了相应的阵风减缓控制律,并且通过有关的准则检验了该控制律的效果.最后通过计算并比较开环和闭环飞 机的频谱响应,验证了该控制律减缓飞机阵风响应的有效性.      

考虑舵机时滞的阵风减缓主动控制律设计

针对存在舵机时滞环节的气动伺服弹性系统，提出基于Padé近似和线性二次高斯（LQG）控制的阵风减缓主动控制律设计方法。利用Padé近似将舵机中的时滞环节线性化为一个高阶传递函数并引入气动弹性模型，建立线性的阵风减缓受控模型；利用LQG控制方法对线性化模型设计阵风减缓主动控制系统，并采用平衡截断法对所设计的控制系统进行降阶；利用Simulink将所设计的控制系统引入非线性模型中，得到von Karman连续阵风激励情况下系统的开/闭环响应情况。计算结果表明:根据所提方法设计的阵风减缓主动控制律能有效降低原气动伺服弹性系统的阵风响应，对研究对象机身过载的抑制在15%左右，而对翼根弯矩的抑制达到25%以上。      

滚转机动载荷减缓风洞试验

机动载荷减缓能有效降低飞机结构重量并改善飞机的飞行性能,因此在飞机设计领域具有广阔的应用前景。针对滚转机动载荷减缓技术的实际应用,对多控制面联合偏转的机动载荷减缓控制方法进行了风洞试验验证。设计小展弦比正常式布局战斗机风洞试验模型、滚转及限位装置、试验模型测控系统、零度保持回路以及机动载荷减缓控制系统,采用两种不同控制面组合的多控制面联合偏转控制律开展试验并测试载荷减缓效果。结果表明,相比于基准控制,多控制面联合偏转的控制律能有效减缓飞机机动过程中的附加机动载荷。采用尾翼以及机翼后缘外侧（TEO）控制面联合偏转的控制律1的机翼弯矩和扭矩减缓率分别为30.1%和38.0%,尾翼弯矩和扭矩减缓率分别为 57.9%和12.5%;采用尾翼、TEO以及机翼后缘内侧（TEI）控制面联合偏转的控制律2的机翼弯矩和扭矩减缓率分别为33.0%和35.5%,尾翼弯矩和扭矩减缓率分别为 45.7%和54.8%。      

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。     

飞翼布局作战飞机起降特性分析

飞翼布局作战飞机采取新型操纵面,且取消了常规的用于起降增升的襟翼装置,研究了该特殊构型飞机起降飞行的操纵新机理.以一种飞翼布局飞机为例,根据风洞试验的结果比较了典型的飞翼与常规布局作战飞机低速气动特性的差异;进而计算了其起降性能,并与典型常规布局作战飞机F-16进行了对比分析.结果表明,由于全翼面的布局设计,飞翼飞机具有翼载荷低的特点,使其更容易满足起降性能的要求.研究结果对飞翼布局作战飞机的设计和性能评估具有重要的参考价值.     

大展弦比飞翼布局飞机新型操纵面设计

大展弦比飞翼布局飞机取消常规布局的安定面和操纵面,本体的 动态特性出现许多不足.介绍了在该新布局飞机上采用的升降副翼和开裂式方向舵等 新型操纵面的气动特点,并在计算空气动力学的基础上分析了其三轴控制效率.引进舵容量 的概念提出了操纵面的参数化设计方法,基于飞机的可控性对各新型操纵面的操纵效率需求 进行了评估,最终对某型飞机的操纵面初步设计进行了修正.研究结果为飞翼布局飞机的操 纵面设计提供了一套实用的方法.      

考虑气动力非线性的柔性飞机阵风响应分析

针对大展弦比柔性飞机阵风响应问题,考虑在大攻角(AOA)情况下气动力非线性的影响,通过将修正的Theodorsen方法与片条理论相结合,得到非线性的时域非定常气动力;在此基础上,建立阵风干扰下的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性模型,完整地发展了一种新颖的可考虑气动力非线性的大展弦比柔性飞机阵风响应分析方法.结合算例模型开展方法验证和数值仿真,对比翼尖和质心(CG)处阵风附加过载在线性和非线性情况下的变化.算例结果表明,考虑大攻角情况下的气动力非线性后,大展弦比飞机的阵风响应较线性情况有明显变化,翼尖处的阵风附加过载最多可减少41.7%,气动力非线性的影响不可忽视.      

小展弦比飞翼战机滚转轴操纵效能需求特性

基于MIL-STD-1797A中关于Ⅳ类飞机的飞行品质规范,对小展弦比飞翼战机的滚转轴操纵效能进行了研究.建立了滚转性能要求和滚转操纵效能要求之间的关系,由于翼身融为一体,飞翼的滚转轴转动惯量通常比常规战斗机大很多,因此其对滚转轴操纵效能的需求更大;由于取消了垂尾,小展弦比飞翼的横向静稳定性较小,操纵面偏转产生的侧力也较小;由于采用多组新型操纵面及控制分配技术,飞翼战机可以实现三轴操纵解耦;因此在侧风起降、非对称装载情形下,与常规飞机相比,小展弦比飞翼战机对滚转轴操纵效能的需求具有诸多新特点.     

大展弦比飞翼构型的横航向操纵特性

大展弦比飞翼构型取消了垂尾和方向舵,通常采用开裂式方向舵和多组升降副翼组合来实现滚转和偏航操纵.通过与常规的侧力类方向舵对比,揭示了阻力类开裂式方向舵的操纵机理,包括偏航和滚转力矩产生原理以及操纵效能等.对大展弦比飞翼构型的横航向配平能力和协调机动能力进行了分析,并与常规飞机进行了对比,研究结果表明单发失效对偏航操纵效能要求最高,需要适当地增加开裂式方向舵的舵容量或对现有布局进行改进设计.      

飞翼布局飞机控制/气动/隐身多学科优化设计

飞翼布局是先进飞机广泛应用的布局形式.飞翼布局飞机总体设计阶段不仅要考虑其隐身和气动要求,还必须高度重视控制系统的影响.以飞翼布局飞机为对象,研究控制、气动与隐身多学科优化的策略和方法.建立了适合在各学科的子空间进行多目标优化的流程,基于学科分析分配各个子空间的设计变量,并通过变量综合形成系统级的设计变量.在优化过程中,综合采用了改进的遗传算法和近似模型构造方法.针对飞翼布局飞机的特点,采用基于控制分配的控制系统结构,以时域指标作为控制学科的优化目标和约束条件.优化结果验证了所用方法的有效性,为将控制学科纳入飞翼布局飞机多学科优化提供了可行的途径.     

基于状态空间涡格法的阵风减缓分析

阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法（VLM）建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响应分析方法,弥补了传统阵风响应分析方法需要进行有理函数拟合或迭代计算资源消耗大等不足。在此基础上,基于经典PID控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真得到离散阵风及von Karman连续阵风激励下的系统开/闭环时域响应情况,对比响应幅值计算减缓率。仿真计算结果表明:根据所提方法建立的阵风响应分析方法准确,阵风减缓控制系统能有效降低原气动弹性系统的阵风响应。      

碟形飞行低速特性

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器.为获得碟形飞行器在低速条件下的总体特性,对其进行了风洞测力和动导数测量试验,结合稳定性分析和模型试飞研究了其总体性能.研究结果表明:碟形飞行器最大升阻比为12.2,失速迎角28°,全机纵向模态稳定,横航向滚转模态和荷兰滚模态稳定,螺旋模态发散,具有良好的飞行品质和综合性能.