Application of improved active disturbance rejection control algorithm in tilt quad rotor

The Tilt Quad Rotor (TQR) has complex dynamics characteristics, especially in conversion mode. It is difficult to build the dynamic model of the TQR and the environmental factors have a great influence on it. To solve the problem of control in conversion mode of TQR, this paper carries out the design of the controller based on improved Active Disturbance Rejection Control (ADRC). According to the characteristics of flight in conversion mode, Tracking Differentiator (TD) with explicit model is used to solve the problem of multiple integrals when the system is high-order system. Extended State Observer (ESO) with Radial Basis Function (RBF) neural network is used to estimate and compensate for internal and external uncertainties, and the adaptive sliding mode control in Nonlinear State Error Feedback (NLSEF) is used to improve the response speed of the controller and reduce the parameters which should be tuned. Through the flight control simulation of the TQR, the validity and rationality of the control system are verified.     

大涵道比风扇/增压级进气畸变数值模拟研究

为探究进口总压畸变下大涵道比风扇/增压级内部流场的主要特征，基于三维彻体力模型的思想，开发了一套能够实现风扇/增压级内外涵联算功能的三维数值计算程序。利用该程序模拟了某大涵道比风扇/增压级在周向总压畸变进气下的三维流场。计算结果表明：大涵道比风扇单转子不同叶高处的畸变传递特征差异较大，转子出口总压畸变强度由叶根到叶尖逐渐降低，在叶尖处衰减为最小值1.5%；在转子出口相应诱导出的总温畸变强度由叶根到叶尖逐渐升高，在叶尖处达到最大值1.4%；进口周向总压畸变导致风扇转子总压比下降0.5%，而风扇转子出口形成的总压总温复合畸变导致增压级总压比下降2%；总压畸变在增压级中呈逐级衰减趋势，而高温畸变区的周向范围在逐级增加。     

高阶谐波控制对旋翼桨-涡干扰载荷和噪声的影响

直升机小速度平飞和斜下降飞行时会产生严重的桨-涡干扰(BVI)噪声。基于修正Beddoes尾迹/桨叶动力学耦合方法和Farassat 1A公式,建立了一个新的能够计入高阶谐波控制(HHC)影响的旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声计算模型。在该模型中,高阶谐波控制引起的桨尖涡附加位移通过对高阶入流进行时间积分推导得出,而单一阶次的谐波输入引起的各阶谐波响应通过传递函数来确定,传递函数则由桨叶的动力学特性计算。首先对HARTⅡ旋翼斜下降飞行状态的桨-涡干扰气动载荷进行了计算模拟,验证了所建立方法的可靠性。然后,着重研究了在典型的三阶谐波桨根激励下,不同输入相位对HARTⅡ旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声特性的影响。结果表明:桨叶的动力学特性尤其是扭转特性对高阶谐波控制效果影响显著,且高阶谐波输入的相位选择对桨-涡干扰噪声的控制至关重要,若控制相位选择不当,反而会增大旋翼噪声。     

直升机新型旋翼翼型气动特性与布局分析

利用结构网格计算流体力学(Computational fluid dynamics ,CFD)的翼型气动特性分析方法开展旋翼翼型气动特性计算。通过RAE282，NACA0012，OA212，OA207等翼型压力分布、升力和阻力等特性计算结果与试验结果的对比分析，验证了计算方法的准确性，并进一步完成了HF系列旋翼翼型的气动特性计算。基于翼型的气动特性，采用时间步进自由尾迹的旋翼气动性能分析方法开展旋翼桨叶翼型的气动布局优化设计，对悬停和前飞条件下的旋翼开展计算分析，得到两种条件下的旋翼气动特性。而后通过本文建立的优化方法开展旋翼翼型布局优化设计。     

带先进桨尖的模型旋翼悬停噪声计算与试验

为进行旋翼噪声水平对比，在全消声室开展了3副不同下反角桨尖模型旋翼噪声试验研究，完成了悬停状态下不同总距和不同观测点上的噪声测量试验，获得了多组噪声数据。数值计算方面，以RANS方程为主控方程求解旋翼流场气动信息，在获取精确声源信息的基础上，基于FW-H方程进行噪声计算和分析。在相同的状态下，计算结果与试验结果显示出较好的一致性，表明了本文数值方法的准确性。最后，根据试验结果，对比分析了不同下反角桨尖对旋翼气动 噪声特性的影响规律。     

可控曲率半径的圆柱形叶片逐点绘型方法

针对中低比转速离心泵,根据叶片进出口边界条件,以逐点绘型方法为基础,提出了一种新的曲率半径可控的叶片绘型方法。该方法的主要特点是曲率半径比值可作为设计常量由设计人员根据需要事先给定,随后分析了曲率半径及比例因子对叶片安放角、叶片包角、相对速度及速度矩等的影响。结果表明,不同曲率半径比值下的叶型参数及流动参数变化范围很大,曲率半径比值较大时,节流损失较大,泵扬程较低,曲率半径比值较小时,脱流损失较大,泵效率较低,存在较优的曲率半径比值区间[1.4,2.4],使叶片安放角平滑变化,泵的综合性能较优,在该优化区间内,取较大的曲率半径比值有利于获得较优的汽蚀性能,比例因子为0时叶片安放角的变化较为平稳,可用于开展离心泵的初步设计。     

基于自适应非结构嵌套网格的旋翼流场模拟

针对直升机旋翼CFD仿真的复杂性,提出了改进的适合于格心格式求解器的非结构嵌套网格算法。采用自适应网格技术在旋翼流场仿真的整个过程中进行网格的自适应加密和疏化操作,以更好地捕捉桨尖涡等流动细节。对于频繁的自适应过程中产生的大量重复点和无用点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)和标记-删除-移动算法(Mark,delete,move,MDM)进行删除,节约了不必要的存储。针对格心格式的求解器,采用了基于梯度的网格间插值方式,简化了网格间数值传递的复杂性,同时不降低求解器的精度。对CaradonnaTung旋翼悬停算例和HLISHAPE 7A旋翼悬停算例进行了模拟验证,计算值与实验值吻合,表明本文建立的方法具有良好的鲁棒性和有效性。最后,与未采用自适应时求解器对桨尖涡的捕捉效果进行了对比,结果表明本文所采用的方法可以明显地提高求解器对桨尖涡的捕捉。     

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求，分析和试验确定的超转转速，必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此，研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例，采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析，对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性；针对超转破裂分析，提出了在高温条件下，经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示，红线转速对应的温度状态下，轮盘超转破裂转速比常温下显著降低，而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

共轴刚性双旋翼/机身干扰流场数值模拟

采用滑移网格技术求解Navier-Stokes (RANS)方程的方法,研究了共轴刚性双旋翼/机身的干扰问题。通过Caradonna-Tung旋翼、Robin直升机、Maryland直升机旋翼/机身干扰和Harrington 2共轴双旋翼等算例,验证了所提出的旋翼流场数值模拟方法的正确性。在此基础上,以Maryland机身为原型,分析了不同桨距的共轴刚性双旋翼与机身之间的干扰特性。结果表明:所提出的数值模拟方法能够很好地模拟共轴刚性双旋翼/机身的气动干扰特性;由于机身对于共轴刚性双旋翼下洗流场的阻滞作用,旋翼的悬停效率增加5%左右,并且随着拉力系数的增大使得悬停效率的增量更加明显;旋翼的悬停效率增加主要来源于下旋翼0°方位角附近的桨叶升力系数的增大,并且拉力系数的增量由桨根向桨尖方向逐渐减小。      

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。