悬停状态下小型共轴直升机操纵响应特性分析

从在研共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了悬停状态下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;引入干扰因子到动态入流模型,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从桨叶的挥舞动力学模型出发,利用四阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停状态,总距突增时上下旋翼升力和扭矩的动态响应特性,并分析比较了半差动和全差动航向控制方式的操纵响应差别,为共轴式直升机机动特性的研究作了必要的准备.      

共轴式直升机半差动航向操纵的动态响应分析

根据经典的垂直飞行涡流理论及共轴式直升机半差动航向操纵的结构特征,推导了共轴双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程.运用有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据,得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式.分析结果与该型直升机飞行特性一致.     

直升机旋翼与机体间气动干扰风洞实验研究

介绍了由风洞实验得到的共轴式直升机在悬停和前飞时旋翼/机体气动干扰结果,并与单旋翼直升机进行了比较.旋翼对机体的干扰主要表现为:悬停时机体上产生垂向阻力和俯仰力矩;前飞时上述干扰减小,但机体的纵向和航向气动特性发生变化;分别增大水平尾翼面积和下旋翼桨距,旋翼对机体的干扰量增大;悬停时,机体对旋翼无明显影响,前飞时产生有利干扰.      

悬停状态旋翼固定尾迹分析中三角级数的应用

为了在固定尾迹分析中更好地描述桨叶附着涡环量分布,结合叶素理论,采用一个三角级数表达附着涡环量的连续分布,并应用于悬停状态下单旋翼和共轴双旋翼的气动特性分析,通过小量计算即获得连续光滑的附着涡环量分布,将其应用到推导的公式中计算出连续分布的诱导速度,进而分析了共轴双旋翼上下旋翼气动干扰及扭矩平衡条件.计算结果与实验结果进行了比较分析,验证了该方法的有效性,并得出结论:下旋翼总距变化对上旋翼诱导作用影响微小,但对自身诱导作用明显;当上下旋翼扭矩平衡时,下旋翼总距比上旋翼总距约大1°.     

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

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.     

共轴刚性旋翼直升机着舰飞行特性

建立一套能够耦合非定常舰船流场的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以研究该旋翼飞行器在着舰过程中的飞行特性。在舰艉流场模拟方面,采用分离涡方法以获得高精度非定常流场数据;在飞行力学建模方面,引入上下旋翼干扰因子建立共轴刚性旋翼诱导速度模型,并采用等效挥舞运动概念建立其挥舞运动方程;基于“单向耦合”思想构建了计算流体动力学（CFD）向飞行力学模型的数据传递策略,并分别以XH-59A直升机和UH-60A/SFS2组合为算例验证了飞行动力学模型和数据传递策略的正确性。以SFS2舰船模型和XH-59A共轴刚性旋翼直升机组合为研究对象,从直升机操纵余量和非定常载荷水平两方面分析了着舰过程中舰艉流场对共轴刚性旋翼直升机的扰动特征。时均研究结果显示：由于共轴上下旋翼受时均流场的扰动存在差异,飞行员在增大总距以维持高度稳定的同时,还需要减小差动总距以保持机头朝向的稳定。非定常水平研究结果表明：对于共轴构型直升机,舰船流场对拉力及俯仰力矩的非定常扰动,是引起飞行员工作载荷增大的主要因素。     

共轴刚性旋翼悬停状态桨叶表面压力测量试验与计算研究

针对共轴刚性模型旋翼悬停状态，开展了桨叶表面压力测量试验与数值模拟研究。试验采用微型压力传感器进行桨叶表面压力测量，不仅获得了桨叶表面压力的试验数据，同时为CFD计算方法计算桨叶表面压力提供了验证数据。计算与试验结果对比吻合度良好，验证了CFD计算方法的有效性。研究获得了共轴刚性旋翼上下旋翼桨叶表面的流动情况和压力特性，结果表明:对于上下各4片桨叶的共轴刚性旋翼，桨叶表面压力随着桨叶旋转呈周期性变化，旋转一周出现8个小周期；在上下旋翼扭矩配平的悬停状态，下旋翼桨叶大部分区域受下洗流影响，下旋翼剖面拉力低于上旋翼；在桨尖区域，下旋翼的桨距角大于上旋翼，受各自上洗流的影响，下旋翼剖面拉力高于上旋翼。      

共轴刚性旋翼直升机旋翼控制相位角问题分析

利用共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以XH-59A共轴刚性旋翼直升机为研究对象,分析了旋翼控制相位角对纵向配平特性、需用功率以及上、下旋翼桨毂弯矩的影响。基于分析结果,提出了一种针对共轴刚性旋翼直升机的旋翼控制相位角的配置方法。该配置方法以降低直升机需用功率为目标,并保证上、下旋翼桨毂弯矩和配平特性满足要求。通过该方法能使XH-59A直升机在0~80 m/s的飞行速度范围内满足上、下旋翼最大桨毂弯矩和纵向操纵限幅的要求,并且能最多降低8%的直升机需用功率,为共轴刚性旋翼直升机的设计提供了参考依据。     

一种单旋翼复合式直升机性能特性

为研究复合式直升机性能变化特性,构建了复合式直升机各气动部件数学模型组成的性能计算模型。以该计算模型为基础,通过不同的飞行条件约束,建立了复合式直升机的过渡飞行边界,研究了复合式直升机在边界内通过不同飞行路线从悬停模式到高速模式的飞行功率变化特点,分析了旋翼转速、前飞速度以及旋翼和机翼升力分配关系等参数对高速性能的影响。研究结果表明,复合式直升机从悬停模式过渡到高速模式通过旋翼卸载给机翼可降低飞行功率,且通过减小旋翼转速卸载比来减小旋翼总距卸载更为有效。但在过渡到高速模式时复合式直升机的旋翼转速也不能过低,过低的旋翼转速可能会增加飞行需用功率,同时也会对模型的配平产生影响,并且造成配平计算过程的迭代不收敛。      

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺（CMG）角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型（LQR）算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。      

推力矢量对飞机操纵面失效的补偿与重构

讨论了推力矢量控制对飞机俯仰、偏航通道气动力的补偿效果和飞行中操纵面失效故障下利用推力矢量进行控制律重构的概念.给出了系统的控制余度定义和伪逆重构条件.针对飞机方向舵失效故障,利用推力矢量进行了重构设计和仿真研究,结果是令人满意的.     

气动力矩和重力梯度矩实现微小卫星三轴姿态控制

提出运用低轨道两个主要环境力矩 (重力梯度矩和气动力矩 )实现微小卫星三轴姿态被动控制方案。重力梯度矩提供俯仰和滚转恢复力矩 ,气动力矩提供偏航和俯仰恢复力矩 ;通过姿态稳定性分析和姿控过程动态仿真 ,结果表明此卫星具有结构简单、姿态稳定精度高的优点。     

基于一维传感器的四维力测试平台设计与分析

利用一维力/力矩传感器设计可以测量升力、滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩的四维测试平台.通过将3个相同的拉压力传感器并联,并利用万向节作连接件,解决了多维传感器的维间耦合误差问题,可以将3个传感器输出的力通过解耦矩阵准确无误地计算出2个力矩和1个力,从原理上完全解耦,提高了多维传感器的精度.同时此种安装方式结构简单,方便拆卸.分析了测试台的各种误差来源,并求解出误差传递函数,计算出由机械平台水平度和传感器安装误差给测试平台带来的系统误差不超过0.5%,同时分析了传感器测量精度对测试系统随机误差的影响,并计算了使用某型号传感器时的随机误差对系统整体误差的影响,验证了该方案的高精度性.     

直升机旋翼试验台动力学分析及建模

直升机旋翼动平衡试验台是一种主要的直升机旋翼测试设备之一,对试验台进行动力学分析和建模可以提高试验台的控制精度和试验的效果.在分析试验台结构和功能的基础上,简化了桨叶变距拉杆的载荷,通过对自动倾斜器的受力分析,得出了旋翼系统的动态模型.通过对液压系统和旋翼系统的联合仿真,分析了系统在旋翼姿态变化时的动态响应和交互耦合影响,初步了解了系统在各种不同负载特性下的响应,为试验台的姿态调节、激振的精度提高和进行理论研究提供基础,并为地面旋翼试验台系统的设计和控制提供依据.