灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性;并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化;退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性；并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化；退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

弹性导弹的连续与离散阵风响应

导弹在空中飞行时会受到阵风的干扰,过大幅值的阵风响应可能影响结构安全 、飞行性能及攻击精度.为此,基于导弹刚体/弹性耦合运动方程和准定常气动力,建立了导 弹气动伺服弹性系统的连续与离散阵风响应分析方法.对于连续阵风,通过频率响应函数来 计算响应的功率谱密度;对于离散阵风,则在状态空间方程的基础上时间积分求得响应历程 .以某导弹为例,进行了气动伺服弹性稳定性分析、连续和离散阵风响应分析,并提出了飞 行控制系统的改进设计.数值结果表明,结构与控制之间的不利耦合可能使系统的稳定性和 阵风响应特性恶化,在控制回路中增加合适的结构陷波器可有效减小弹性模态的不利影响.      

考虑几何非线性的气动弹性模型缩比方法

随着飞机性能和需求的提高,大展弦比高柔性机翼逐渐成为新型飞机的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形和重量轻等特性,几何非线性效应明显。然而机翼的大展弦比高柔性会带来更大的机翼变形,而机翼大变形则会引起相关的非线性气动弹性行为。为了评估这些非线性气动弹性行为并同时降低设计风险和成本,一般要使用缩比模型进行风洞试验以研究和确认真实飞机的气动弹性特性。基于此,首先使用了传统线性缩比方法来进行缩比,通过刚度质量耦合匹配模态响应法与刚度质量解耦匹配模态响应法这2种线性缩比方法,不断优化缩比结构的设计参数来满足目标缩比值。同时,提出一种动力学有限元模型的非线性静响应-模态协同优化方法,该方法是基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性模型缩比方法,通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型。结果表明,相比于传统线性缩比模型,考虑几何非线性的缩比模型能够更好地再现全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。      

系统模态下柔性航天器混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程;然后选择连体坐标系为浮动参考系,解所得到的动力学方程的特征值问题,得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换,得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合价值航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同,这时弹性运动方程中不存在来自刚体运动的惯性耦合项;同时也和采用系统自由弹性模性不同,这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论     

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。      

新一代运载火箭姿态控制技术

开展了新一代运载火箭姿态控制设计技术研究,推导了工程适用的姿态动力学模型,基于牛顿-欧拉法建立了刚体质心和绕质心运动方程、液体晃动方程,基于有限元方法建立了火箭弹性振动方程,弹性运动方程基于空间模态,反映了横向、纵向、扭转与助推器局部模态对火箭的姿态与载荷的影响.基于空间模态的姿态动力学模型研究了姿控系统设计方法,给出了工程适用的姿控系统设计方法.开展了容错重构技术研究,分析了伺服机构故障对姿控系统的影响,为提高运载火箭的飞行可靠性和抗故障能力奠定了基础.对主动减载技术进行了研究,能够对高空风产生的气动载荷进行主动抑制,放宽了发射条件,对新一代捆绑运载火箭姿控系统的设计具有重要的借鉴意义.     

基于静态输出反馈的大型飞机横航向控制综合

由于广泛采用轻质材料,大型飞机的结构柔性使得控制系统和结构动力学之间存在不可避免的耦合现象,控制器设计必须同时考虑结构柔性对系统反馈的贡献,并满足飞行品质、鲁棒性等目标.提出了一种利用刚体飞行动力学模型和包含弹性模态的高阶模型设计满足多种目标的控制器综合方法,首先由刚体模型设计静态输出反馈参数,满足动态响应、飞行品质和抑制阵风扰动等要求,在此基础上利用已获得的静态反馈参数针对高阶模型设计H_∞回路成形控制器,实现对结构模态的抑制,并满足系统的鲁棒性需求.仿真结果表明:设计方法能够充分利用包含弹性模态的大型飞机飞行动力学模型的特点,满足结构模态抑制和鲁棒稳定裕度等多种需求.      

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.     

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.     

变重量/重心飞机建模及姿态控制律设计

为解决飞机在重量、重心变化下的姿态控制问题,从相互作用力的角度将重量、重心的变化转化为干扰力和干扰力矩,提出并建立了变重量/重心飞机的一般动力学模型和重量、重心特性模型.该模型可以反映重量、重心动态变化与飞机运动的耦合,解决了现有模型无法处理飞机重心动态变化的问题.在姿态控制律设计上,提出了针对飞机重量、重心变化的干扰观测补偿控制器结构,将重量、重心变化转化为干扰输入,采用比例积分观测器对重量、重心变化引起的干扰力和力矩进行观测,并将观测值解算为补偿信号引入自动驾驶仪,设计了纵向姿态的干扰补偿控制器.以运输机重型货物空投为背景的计算机仿真结果表明:该模型可以准确反映飞机在重心变化各个阶段的动力学特性;在观测器的补偿指令作用下,俯仰角对重量、重心变化的响应波动远小于未加补偿的情形,满足精确姿态控制的需要.      

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。      

不完整测量下集群飞行器协同相对定位方法

测距和测向是实现飞行器间相对测量的常用手段。通常而言,飞行器间相互测距精度远高于飞行器绝对位置导航精度。因此,提出了一种基于集群飞行器间测距和对目标测向的协同相对定位方法,利用集群飞行器间相互测距和各飞行器对非合作目标测向来实现集群飞行器及非合作目标的相对定位。方法分为静态相对定位方法和动态相对定位方法两种。基于飞行器间相互测距和对非合作目标测向来实现协同相对定位的方案,不需要对非合作目标进行完整的相对位置测量,简化了对飞行器测量设备配置的要求。同时,相比基于飞行器绝对位置导航和对非合作目标测向的相对定位方案,能获得更高的相对定位精度。     

大型军用运输机的飞行航迹优化

军用运输机通常在紧急情况下执行空运任务,应以时间成本作为此类飞机垂直剖面飞行航迹的优化指标.将飞行时间按上升、巡航和下滑3个阶段进行分解,采用能量状态法简化飞机质点运动方程,将优化指标转化为等效能量形式.优化巡航段参数,采用最小值原理分别完成纵向最优剖面上升和下滑飞行航迹的优化.仿真结果表明:军用运输机在上升段采用各高度的最大可用速度上升,在低于升限的某高度以最大飞行速度巡航,在下滑段采用各高度的最大可用速度下降时,全剖面飞行时间最短.研究结果对提高大型军用运输机在可能存在威胁的前线环境下的运输效率和飞行安全性等均具有一定的实用参考价值.     

基于仿真模型的短距起飞性能优化

短距起飞较垂直起飞可有效提升各类特种飞行器的有效载荷与起降安全性,因此具有重要意义.基于纵向飞行力学模型,针对某小型无人倾转旋翼飞机建立其短距起飞仿真模型,以起飞距离为目标函数,对操纵变量采用遗传算法进行优化.优化结果表明,存在一定的升降舵操纵策略使得起飞距离最小化;起飞采用固定的短舱倾转角与起飞质量存在一定的最佳匹配关系;起飞过程中对动力短舱倾转角进行合理操纵则能进一步缩短起飞距离.考虑到仿真模型与优化问题在数学上的普适性,该方法适用于包括传统固定翼飞机和直升机的其他类飞行器的短距起飞性能优化.