一类面对称飞行器横侧向通道LCDP控制方法

某简洁气动布局面对称飞行器具有大升阻比、横侧向通道强耦合的特性，本文分析了该面对称飞行器横侧向通道耦合控制机理，构建了飞行器横侧向通道系统模型，进行了气动与控制一体化设计，推导了LCDP稳定性判据参数约束条件，结合典型飞行状态进行了仿真分析，结果表明仅用一对水平舵面可以实现面对称飞行器横侧向通道的稳定。     

翼尖铰接复合飞行器动力学特性研究

航空飞行器通过翼尖铰接机构复合飞行时的气动耦合效应，会造成飞机产生不同于其单独飞行时的动力学特性，出现复合飞行安全问题。为研究翼尖铰接复合飞行器的动力学特性，使用Newton-Euler方法和Robberson-Wittenburg方法建立了双机组成的翼尖铰接复合飞行器多刚体系统整体和内部的7自由度非线性动力学和运动学方程组。在气动准定常假设下建立双机复合系统非耦合气动力表达式，基于CFD方法开展复合飞行器系统的三维实体建模和非结构网格划分工作，获取复合飞行器系统的气动力数据。搭建动力学仿真平台，开展准配平方案和全配平方案下的动力学仿真。仿真结果表明:准配平方案下飞行器无法持续稳定飞行，而全配平方案下复合飞行器系统各运动参数在仿真时间内始终趋于稳定。在全配平方案下，使用小扰动假设的非解耦线性化方法重新整理7自由度动力学方程组，研究复合飞行器系统运动模态的特征值中出现的2个发散新模态，根据对应的特征向量发现2个发散模态分别由相对滚转角度和角速度主导，同时也比较分析了其他运动模态相比单机飞行时的特性变化规律。      

碟形飞行器横航向飞行品质

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器。应用经典飞行动力学理论的线性化小扰动方法对碟形飞行器在低速条件下的横航向稳定特性进行了仿真计算,采用时域分析的方法对横航向模态进行了分析,得到了碟形飞行器的横航向飞行品质状况.同时将碟形飞行器同常规布局飞机和飞翼飞机的特性做了简要的对比,分析了碟形飞行器同二者的异同之处和产生的原因.研究结果表明,碟型飞行器具有良好的横航向飞行品质和综合性能.     

碟形飞行器纵向飞行品质

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器.应用经典飞行动力学理论的线性化小扰动方法对碟形飞行器在低速条件下的纵向稳定特性进行了仿真计算,采用时域分析的方法对其纵向模态进行了分析,得到了碟形飞行器的纵向飞行品质状况,并进行了试飞验证.同时将碟形飞行器同常规布局飞机和飞翼飞机的特性做了简要的对比,分析了碟形飞行器同二者的异同之处和产生的原因.研究结果表明,碟形飞行器纵向模态稳定,具有良好的纵向飞行品质和综合性能.      

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.     

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。      

滑翔再入飞行器横侧向耦合姿态控制策略

针对气动舵面仅为两片体襟翼的欠驱动构型可重复使用运载器(RLV)再入过程中的强耦合现象,提出一种基于此类布局飞行器耦合特性的横侧向控制策略。在分析惯性耦合、运动耦合和稳定性耦合的产生机理与规避方式的基础上,计算标称轨迹下的急滚稳定边界并将倾侧角指令速率限制在此边界内以稳定惯性耦合;针对现有的荷兰滚模态预测式不适用于此布局飞行器的问题推导出一种新的荷兰滚运动预判方法,并根据预判结果设计控制增益。最终得到低动压下体襟翼-反作用力控制系统(RCS)复合控制策略和高动压下体襟翼单独作用的横侧向耦合控制策略。六自由度(6-DOF)仿真结果表明该控制策略能很好地跟踪制导指令并且能最大限度利用气动舵面以减少RCS燃料的消耗。      

农林飞机近地作业飞行的纵向稳定特性

分析了农林飞机近地作业飞行的纵向气动力特性,讨论了存在地面效应时的纵向静稳定性准则及主要气动导数对静稳定性的影响;根据地效区内飞机的五阶小扰动运动线化方程,计算了农林飞机近地作业飞行的模态特性,并运用特征矢量研究了各模态中起主要作用的运动变量;利用Routh判据对农林飞机近地作业飞行的纵向动稳定性进行了分析,通过简化推导了存在地面效应时保证飞机动稳定性其重心的位置要求.研究结果表明,农林飞机近地作业飞行时地面效应对其纵向气动特性及稳定性的影响不可忽略.      

基于气动导数的类X-37B飞行器纵向稳定性分析

为了定量地研究跨大气层轨道飞行器在不同飞行条件下俯仰方向的动态特性，在Etkin气动力模型的基础上，详细研究了飞行马赫数、减缩频率、振动幅值、平均迎角等因素对此类飞行器纵向动态特性的影响规律。研究结果表明，平均迎角和飞行马赫数决定了流场的基本特性，所以对气动导数的影响很大；而减缩频率和振动幅值决定了非定常扰动的强弱，影响非定常气动力的大小，决定非定常迟滞效应的强弱。对类似X-37B的跨大气层轨道飞行器来说，平均迎角越大，机身后方背风区的涡流作用越强，纵向稳定性越强。在亚声速范围内，随着飞行马赫数增加，纵向稳定性增强，在超声速范围内，随着飞行马赫数增大，纵向稳定性减弱。振动幅值大小虽然影响了流场的形态，但对气动导数的数值大小没有明显影响。振动频率对动态特性的影响也不明显。希望研究结果可为中国未来类似飞行器的研究和发展提供相应的参考和技术储备。      

基于ESO的可重复使用飞行器积分滑模控制器设计

考虑参数不确定和外界干扰对姿态控制的影响,开展基于扩张状态观测器(ESO,extended states observer)的可重复使用飞行器姿态控制研究.首先,对飞行器运动模型进行描述,在合理假设条件下,得到面向控制器设计的纵向和横侧向姿态模型;其次,分别针对纵向和横侧向姿态模型设计积分滑模控制器(ISMC,integral sliding mode control);然后,引入ESO对耦合作用、参数不确定及外界干扰进行估计,并在控制器中进行补偿;最后,六自由度仿真结果表明,本研究给出的控制策略能够实现对给定制导指令的稳定跟踪,确保安全再入飞行.     

面向控制的仿鸽扑翼机纵向动力学建模与分析

鸽子飞行时常采用变频率和变振幅模式来操控翅膀扑动与扭转以达到高效飞行的目的。为了给研究扑翼机控制和分配算法提供通用的设计验证平台,建立包含3个控制输入自由度的仿鸽扑翼机动力学模型,并开展开闭环模型有效性验证。考虑机翼运动惯性力和力矩,基于Kane方程建立仿鸽扑翼机的纵向多刚体非线性模型。选择升降舵偏转角、机翼扑动角振幅和机翼扭转角振幅作为控制输入,定义机翼定周期扑动的操纵机制,估算面向控制模型所需的气动导数和操纵导数,建立面向控制的仿鸽扑翼机线性时变周期系统模型。基于Floquet理论对线性时变周期系统模型进行动稳定性分析,结果与开环时域仿真一致。从闭环角度对模型有效性和适应性进行验证,仿真表明,所建模型能有效反映仿鸽扑翼机时变周期动力学特性,并能支撑控制分配方法的设计研究。      

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。      

结构受损飞机动力学模型与飞行控制方法

为实现对结构部分受损飞机的安全控制,建立了其动力学模型,通过分析将结构受损飞机的旋转运动分解为正常飞机旋转运动和由于受损引起的扰动运动,将结构受损飞机的控制转化为对扰动等不确定性因素的抑制问题.提出了一种基于扩张状态观测器的轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.仿真结果表明:当飞机右侧机翼缺损15%半翼展长时,控制系统能实现结构受损飞机的解耦控制,角速度响应能较好地跟踪指令,有效抑制了结构受损带来的不确定性和扰动.     

飞机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计

在现代大型客机系列的设计中,机翼常作为通用模块,在每个型号上使用.针对各个型号因使用任务要求不同而使得对机翼气动特性需求不同的问题,引入设计权重,提出机翼气动特性匹配设计概念,建立了机翼气动特性匹配设计模型.并分析了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响,建立了稳健匹配优化设计模型,最终完成某高亚音速客机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计.研究结果表明:与传统优化方法相比,稳健优化设计能够减小飞机系列中机翼在各型号上的气动特性差异,降低了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响, 提高了飞机系列的气动性能.     

新型折叠翼机构设计

为了进一步缩减折叠翼飞行器（如舰载机、无人机、飞行汽车等）的展向尺寸来节省储存、运输空间,设计一种新型的折叠翼机构方案.它由内翼、中翼和外翼3部分组成,采用连杆机构作为翼面折叠机构,能进行两次折叠.简化运动模型,建立运动微分方程,分析折叠翼机构在地面（无气动载荷）情况下的运动特性;利用多刚体动力学软件进行动力学仿真分析;通过在内翼和中翼间的铰链添加扭力弹簧,改善了折叠翼的驱动性能;开展折叠翼地面折叠/展开实验,实验结果与计算机仿真基本吻合.翼面折叠/展开运动平稳,大幅缩减了折叠翼飞行器地面展向占用空间.      

基于小扰动理论的桨叶叶素气动载荷计算方法

针对直升机飞行仿真应用,采用小扰动理论建立了桨叶叶素气动载荷计算方法。该计算方法集成了弹性桨叶挥舞-摆振-扭转模态,耦合了旋翼动态入流、非定常动态失速气动模型和旋翼配平模型。整个算法采用标准的状态空间格式。为验证算法,以UH-60A直升机为例,在低速和高速2种定常飞行情况下,研究了偏航流效应对旋翼气功性能的影响,结果表明高速飞行时偏航流效应对旋翼气功性能影响较大。模拟了桨盘平面诱导速度分布以及桨叶叶素气动载荷,将仿真结果与飞行试验结果进行对比验证,本文建立的方法可以准确地求解定常飞行时桨叶的非定常气动载荷,捕捉其沿方位角的变化特征,对于大速度前飞仍能适用。      

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。