倾转旋翼机巡航状态旋翼滑流影响

倾转旋翼机由于需要兼顾垂直起降和高速平飞2种典型工况下的动力需求，采用大直径旋翼作为推进装置会使机翼大部分处于旋翼滑流区内，这与常规螺旋桨飞机存在较大差异。为评估不同数值计算方法并研究旋翼滑流对倾转旋翼机气动特性的影响，针对选取两叶旋翼的某倾转旋翼机方案，利用激励盘模型、多参考系（MRF）模型、滑移网格模型分别进行了巡航状态下旋翼滑流对全机气动特性影响的数值模拟研究。结果表明:相对于无滑流状态，滑流定常影响使全机阻力增大，最大升阻比降低了7.5%，尾翼产生的升力增大，纵向静稳定度增加了17.1%，全机低头力矩增大；当迎角较小时，滑流虽然改变了机翼表面的升力分布，但是全机升力变化不大；滑流非定常影响会使全机气动特性产生周期性波动，升力系数波动幅度为9.0%，阻力系数波动幅度为10.8%，并且随着迎角的增大，波动幅度也越大。      

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先，从多体动力学出发，以某盒式倾转旋翼无人机为算例，将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次，通过不同刚体质心间的位移约束，建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵，以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后，分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致，验证了所提建模方法的合理性；在倾转旋翼转速不变的情况下，倾转过程所用时间越长，无人机掉高越少，轨迹越光滑，但输入能量越多，具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。      

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。      

倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线

建立了典型三点式倾转旋翼无人机动力学模型,针对过渡过程,开展最优倾转角曲线研究以减小横侧控制耦合对纵向运动影响和过渡过程能耗。基于倾转角曲线对过渡过程的影响分析,提出了改进运动剖面算法对倾转角曲线进行参数化设计;并提出两阶段优化方案来对参数进行优化。第1阶段,综合考虑横侧控制耦合度最低和过渡过程能耗最小目标,以曲线参数为优化变量,构建了最优倾转角问题模型,采用遗传算法进行优化求解。第2阶段,引入舵机动力学模型,考虑过渡时间和系统超调进一步优化以减小结束阶段的超调。与2种现有典型倾转角曲线对比结果表明:给定过渡时间,设计的最优倾转角曲线有效地降低横向控制耦合程度和过渡过程的能耗,且减小结束时超调。      

基于增益调度与光滑切换的倾转旋翼机最优控制

针对倾转旋翼机转换机动中变动力学特性导致的复杂控制问题，提出基于增益调度（GS）的线性二次最优控制与光滑切换控制结合的综合体系结构，用以实现转换机动过程中的全局最优控制。该控制综合方法，在保证性能指标要求最小的同时，对操纵机构的负荷较低。首先，建立了倾转旋翼机高置信度飞行动力学模型，并应用混合操纵克服操纵冗余问题。其次，设计了基于增益调度的线性二次最优多环控制器，并采用光滑切换控制策略综合2套控制器，实现动态倾转过程的姿态平滑过渡。最后，进行以倾转走廊中间路径为期望轨迹的全模式自主飞行仿真。仿真结果表明:控制系统在转换机动过程中体现出强鲁棒性和较优的系统性能。      

鸭式旋翼/机翼飞行器转换末段气动特性

采用数值模拟方法研究鸭式旋翼/机翼(CRW,Canard Rotor/Wing)飞行器在转换过程末段,旋翼转速极低时全机气动特性变化规律及其产生原因.给出了旋翼旋转一周时,全机气动力、气动力矩、焦点位置变化规律,对此布局形式,转换过程末段全机升力、阻力变化幅度可达10.7%,3.7%,焦点可移动0.6 m.研究显示:旋翼处于前后不对称流场及旋翼处于不同方位角时对机体的不对称干扰是气动力与气动力矩变化原因,旋翼与平尾升力线斜率变化、旋翼自身焦点位置变化导致了全机焦点移动.      

倾转旋翼机低速回避区研究

针对单发、全发失效（OEI/AEI）后提升倾转旋翼机安全性的需求,基于最小化回避区思想分析预测倾转旋翼机的高度-速度低速回避区。首先,引入混合操纵模型,建立倾转旋翼机发动机失效后增广的二维纵向刚体飞行动力学模型,基于最优控制理论将倾转旋翼机低速回避区边界转化为安全着陆问题;然后,构建倾转旋翼机发动机失效后安全着陆飞行的连续非线性最优控制模型,采用间断有限元法（DPG）和非线性规划算法进行求解;最后,以XV-15为研究对象,验证了算法的准确性,并研究了不同飞行重量、操纵要求下,倾转旋翼机的单发、全发失效的高度-速度低速回避区,分析了倾转短舱对低速回避区的影响,给出了XV-15单发失效的垂直起飞最大安全重量。      

分布式电推进飞机概念方案气动特性快速评估方法

分布式电推进（DEP）飞机充分利用气动/推进耦合效应提高飞机的气动效率，但动力数量增加导致螺旋桨滑流与翼面流场干扰强烈，气动分析和设计的复杂度及计算成本上升。为提高DEP飞机早期设计阶段气动设计效率，降低研制成本，采用线性无黏的涡格法-激励盘理论(VLM-ADT)、涡格法-非定常涡格法(VLM-UVLM)及加入黏性修正的VLM(Modified-VLM)提出气动特性快速评估方法。对单机翼、单螺旋桨/机翼耦合、X-57机翼(巡航、高升力状态)及分布式螺旋桨/机翼耦合构型的气动特性进行快速评估。与基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解器的结果对比，单机翼和单螺旋桨/机翼升力系数和阻力系数一致性良好，误差最大不超过8.2%；俯仰力矩系数在同一数量级。X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的升力系数与RANS方程结果吻合度较高，误差最大不超过10%。考虑黏性修正的VLM所计算的X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的总阻力系数与RANS方程结果趋势一致。分布式螺旋桨滑流增加机翼的动压，使机翼局部有效迎角发生改变，改变了机翼当地升阻特性。所提方法为分布式螺旋桨飞机在早期设计阶段气动特性快...     

菱形翼布局太阳能无人机螺旋桨滑流影响研究

为了探究螺旋桨滑流对低雷诺数菱形翼布局太阳能无人机气动特性的影响，采用动量源方法（MSM）与k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程对不同转速状态下菱形翼布局太阳能无人机的气动特性进行了准确模拟。并通过对比机翼表面流场结构与压力分布，分析了不同迎角下螺旋桨转速变化对菱形翼布局前后翼气动干扰的机理。研究表明:随着螺旋桨转速增大，小迎角下增升减阻效果明显，最大升阻比在3 000 r/min时提升了18.4%。在小迎角时，前翼气流受到抽吸作用，升力增加，后翼受螺旋桨旋转气流影响，前缘出现大范围吸力区，压差阻力减小。在大迎角时，前翼影响不变，后翼前缘下表面吸力区范围及强度均减弱，前缘负升力区消失，增升效果改善，压差阻力增加。由于在不同迎角时，升力增量的主要贡献部件不同，导致无人机纵向静稳定裕度随着转速的提升而增大。菱形翼布局太阳能无人机通过合理设置螺旋桨位置与转速，可有效利用螺旋桨滑流提升气动性能。      

超高速飞行器平尾大迎角气动弹性特性研究

临近空间超高速飞行器在飞行过程中受到外部干扰作用时会出现大迎角飞行姿态，此时需大角度偏转全动平尾进行配平，带来平尾大迎角下的气动弹性问题。采用计算流体力学/计算固体力学/计算热力学（CFD/CSD/CTD）耦合方法分析了一种超高速飞行器全动平尾的气动弹性特性，重点研究了大迎角下平尾的气动响应及结构变形特点。结果表明:各迎角时的气动力曲线均出现波动，随时间变化逐渐衰减至平衡位置。迎角越大，初始振幅越大，气动力系数减小的比例越大，但随时间衰减得越快。平尾存在弯曲/扭转耦合现象，结构变形导致表面压力分布发生变化，使得整体压力减小、升力系数降低，迎角越大现象越明显。平尾最大应力在迎角30°时达1.2 GPa，已达到所用镍合金材料的屈服强度极限。应在结构设计时在翼轴与平尾接触部位附近加强，或在控制方案设计时限制全动平尾的工作角度。结构发生轴向与法向变形，轴向变形主要由气动热引起，法向变形由气动力和气动热共同引起。      

鸭翼展向吹气对发动机推力损失影响的评估

风洞实验结果表明鸭翼展向吹气能提高飞机大迎角升力,延缓机翼涡破裂,增大飞机失速迎角.但由于鸭翼展向吹气需从发动机引气,这势必对发动机推力和飞机的各项性能产生影响.采用动量定理和耗油率公式对从发动机引气造成的气流质量流量损失、发动机推力损失和对飞机总升力(引气造成的升力损失和鸭翼吹气获得的升力增量之和)的影响等方面进行了评估,并比较了机翼展向吹气与鸭翼展向吹气两种方式.结果表明,鸭翼展向吹气引气量少、推力损失小,对飞机大迎角机动性能有利,是一种可取的间接涡控制技术.      

飞行器动态下俯过程中的负阻力现象

利用水洞中动态测力/流动显示一体化实验系统,研究飞行器简易模型等速俯仰过程动态气动特性.测力天平为三分量内式尾支形式;利用氢气泡方法观测机翼上表面流动,测力和流动显示结果同时记录.当下俯无量纲角速度k≥0.11时,观测到正攻角时的负阻力现象.分析测力和流动显示结果,表明负阻力是下俯过程中上翼面流动由分离向附着恢复过程中的迟滞效应引起的,负阻力的大小与下俯无量纲角速度和下俯起始攻角有直接关系.      

碟形升力体飞行器气动特性

碟形升力体飞行器采用了翼身融合的小展弦比气动布局.利用重心前移方式解决了横向稳定性问题,其效果在模型试飞实验中得到了验证.由于展弦比小而导致诱导阻力较大,为减小诱导阻力,在风洞中对一种后掠鱼鳍形小翼进行了吹风试验.模型安装翼尖小翼后,风洞测量其最大升阻比在30m/s风速下提高了70%.在试飞模型中验证了这种小翼不仅可以增大载重量而且增强了横向稳定性.为进一步了解碟形升力体飞行器的气动特性,利用数值方法对升力体流场进行了模拟研究.数值结果显示,由于展弦比小,升力体翼尖处诱导旋涡对升力体的气动特性影响较大.     

边条/鸭翼对前掠翼和后掠翼气动特性的影响

为分析前掠翼气动布局设计在航空工业中无法得到推广运用的原因,将前掠翼和后掠翼通过加装边条和鸭翼形成简化的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局,从而深入认识前掠翼和后掠翼两种不同布局之间的流动特点以及涡系干扰机理。首先进行算例数值计算,通过对比分析计算结果与试验数据,验证了数值计算方法的可靠性和准确性;然后对不同布局进行数值计算,得到各布局的升力系数曲线;最后通过压力分布云图和流线图对各布局中复杂涡系的干扰机理进行分析。结果表明:基于后掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间通过诱导和卷绕作用,涡系相互增强,大幅提高了布局的升力系数并推迟失速迎角,同时加装边条和鸭翼效果更加明显;基于前掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间不存在卷绕作用,涡系之间存在碰撞挤压的不利干扰,这使得前掠翼布局在大迎角时的升力系数远远低于相应的后掠翼布局。前掠翼气动布局中的机翼前缘涡在大迎角时无法同鸭翼涡和边条涡相互耦合增强,不能充分地利用非线性升力,这是前掠翼气动布局设计中的一些不足。      

前掠翼气动布局中鸭翼高度影响的实验

基于前掠翼-鸭式前翼布局的风洞测力实验,分析了距离主机翼较远的鸭翼相对于主机翼的高度对布局纵向气动性能的影响.基于主机翼根弦长的雷诺数约为1.44×10⁵.实验结果表明,较大的主机翼前掠角与较低的鸭翼配合,产生的升力系数增量比较显著.低于主机翼的鸭翼将加强前掠翼布局的缓失速特性.鸭翼增大升力的同时也增大了阻力;大攻角时,鸭翼带来的阻力增量较大.高于主机翼的鸭翼对最大升阻比的改善较多,但也不宜过高.主机翼前掠角较小时,鸭翼改善和提高升阻比的效果比较明显.     

联翼布局俯仰力矩非线性变化特性的数值模拟

联翼布局飞机具有优良的升阻特性,是下一代亚声速飞机优先选择的气动布局型式之一,但在某些情况下其俯仰力矩随迎角的增大会表现出较强的非线性变化特点.针对该问题,在Ma=0.75条件下,采用数值模拟方法对某亚声速联翼布局气动性能及其绕流流场进行研究,通过对各部件气动特性分析,结合不同前翼绕流流动状态下前/后翼绕流场特点及截面气动力分布特点,揭示了前翼对后翼绕流流场干扰是引起其俯仰力矩非线性变化的主要原因.计算结果表明:在一定迎角下,该联翼布局飞机前翼绕流发生分离,从而影响后翼绕流流场,引起后翼气动效率下降,导致全机俯仰力矩随飞机迎角发生非线性上扬,对该机飞行性能的提高带来严重影响.     

大型客机机翼挂架接合位置定常吹气控制分析

对于采用下单翼布局翼吊发动机形式的大型客机而言,为了保证发动机与地面的安全距离,挂架高度较短,造成前缘缝翼被打断,大迎角下发动机短舱尾迹对其后方机翼上翼面的流动产生不利影响。采用数值模拟方法系统研究了在发动机挂架后方机翼上表面采用主动流动控制技术来提高着陆构型的气动性能。采用机翼+短舱构型研究了吹气参数对吹气效果的影响。结果表明:大迎角下,吹气可以抑制短舱后方机翼上表面的分离流动,使最大升力系数明显提高;吹气缝宽度、吹气质量流率由于会影响吹气总压的变化,对吹气效果的影响显著,对升力系数的影响量在0.05以上;吹气缝与上翼面夹角会影响能量注入的区域,对吹气效果有较大影响;吹气缝位置会影响吹气控制的范围,对吹气效果也有一定影响。分别对无短舱涡流片和有短舱涡流片的全机构型进行了校核研究。采用吹气措施之后,无短舱涡流片构型线性段升力系数增大约0.15,最大升力系数增大0.186,失速迎角增大1°;有短舱涡流片构型线性段升力系数增大约0.13,最大升力系数增大0.16。