扇翼气动特性试验研究

通过对扇翼飞行器采用风洞试验的方法,研究横流风扇在不同风扇转速、来流速度、迎角、前缘开口角和叶片安装角下的升力、阻力和需用功率,得到相关的试验数据,并进行了处理分析。结果表明:风扇转速是影响扇翼升推力的主要因素,不同迎角和来流速度下扇翼的气动特性也不相同,前缘开口角和叶片安装角对扇翼的气动特性影响也比较大。本试验进一步验证了扇翼的工作原理以及获得控制扇翼飞行器升推力的方法,为大尺寸扇翼无人机的设计制作提供技术支撑。     

基于改进人工势场法的无人直升机三维航迹规划

针对民用直升机的复杂贴地环境,开展了预设障碍物环境结合无人直升机飞行性能包线约束的航迹规划研究。首先,基于障碍物建模方法设计了航迹规划算法,解决了传统人工势场法较难适用于三维环境下无人直升机航迹规划的诸多问题,提出了一种改进的人工势场算法并扩展至三维空间。然后,针对三维环境中的目标不可达问题,建立了一种基于相对距离判断的斥力势场函数方法;针对局部极小值问题,发展了一种基于无人直升机飞行性能约束的航迹点回溯法以逃离出局部极小值区域的方法。最后,通过仿真验证分析了该算法的有效性。仿真结果表明：改进的人工势场法能够有效克服传统人工势场法的不足,实现无人直升机在飞行性能包线约束下的三维航迹规划。     

扇翼飞行器翼型附面层控制数值模拟

基于扇翼飞行器翼型特殊的几何形状及流场特性,在原有翼型的弧形槽下方和后缘加装控制阀门,通过调节阀门开启及开启尺寸的大小,利用弧形槽低压涡所产生的吸力对翼型后缘的附面层进行一定的控制,达到增升减阻的效果。通过采用计算流体力学的方法对其机理及阀门开启尺寸的影响进行了详细计算和分析,研究表明当阀门开启的尺寸为10 mm时,修改翼型的最大升力系数、失速迎角及相同迎角下的升力系数和推力系数均大于基本翼型;随着阀门开启尺寸的增大,修改翼型的最大升力系数和失速迎角均减小,但是在失速前,修改翼型在相同迎角下的升力系数大于基本翼型。此方法可以改变先前通过增大横流风扇的转速来提高其气动性能的做法,减小了能量的消耗,增大了整个飞行器的航程,为扇翼飞行器能够早日投入实际运用奠定了一定的理论基础。     

基于横流风扇技术的直升机反扭验证

为了提高单旋翼带尾桨直升机的低空飞行安全性,利用横流风扇流动控制技术,设计了一种可以替代单旋翼直升机尾桨的反扭装置。通过风洞试验验证了该装置具有产生侧向力的特性,同时建立了该装置的数值模拟计算方法,得出了横流风扇转速、旋翼下洗流和前飞来流对该反扭装置的气动特性影响较大,初步分析了该反扭装置的侧向力的来源,证明了可以通过控制横流风扇转速来控制反扭装置侧向力的大小,因此应用于直升机的反扭系统是可行的。     

倾转四旋翼UAV过渡状态下旋翼/机身气动干扰数值分析

通过数值模拟的方法对十字构型倾转四旋翼UAV在倾转过渡状态下前旋翼/机身/后旋翼间的气动干扰进行了计算与分析。分别建立了孤立前旋翼、前后旋翼、前旋翼-机身、前后旋翼-机身组合时的计算模型。在不同旋翼倾转角下,研究了以上组合模型对前旋翼、后旋翼以及机身的气动力和力矩的影响并分析了相互间的气动干扰情况,得出了前旋翼是整机气动干扰影响的主导因素,揭示了旋翼/机身间气动干扰形成的原因,为该构型旋翼布置与控制系统的设计提供参考。     

轴流状态下涵道螺旋桨增升方法的数值模拟

为了进一步提高涵道螺旋桨的功率载荷，提出了一种将螺旋桨部分桨尖嵌入到涵道体内壁面以改善涵道内部的滑流边界和唇口扰流的增升方法。采用计算流体力学(Computational fluid dynamic, CFD)方法，对其轴流状态的流场流态及气动力特性进行了计算和分析，并与相同直径的孤立螺旋桨及涵道螺旋桨在相同工况下的气动力进行了对比分析。     

带前缘小翼的扇翼翼型气动特性数值模拟分析

扇翼升力和推力的产生主要依靠翼型前缘弧形槽上方低压涡的形成，使得升力和推力具有较强的耦合关系，如何对其解耦控制是扇翼进一步工程应用的关键。对于扇翼翼型各项几何参数确定的情况下，前缘开口角的大小对扇翼气动性能的影响最大。因此考虑在基准扇翼翼型的前缘安装前缘小翼的方法来改变扇翼前缘开口角的大小，通过数值模拟的方法，对比分析了单片、双片和三片前缘小翼在不同前缘小翼偏转角、来流速度、迎角下对扇翼升力和推力的影响规律。结果表明:通过对前缘小翼偏转角的角度控制不仅仅可以改善扇翼的升力和推力，还可对低压涡的强度和位置进行控制，满足对扇翼气动力的主动控制要求，因而可实现对扇翼飞行器姿态进行操控的目的。      

开口壁式涵道螺旋桨气动特性数值模拟

涵道共轴双螺旋桨以其结构紧凑、气动效率高、气动噪声低、安全可靠等性能和结构优点,已经被作为一种推力或升力装置广泛地应用到飞行器设计当中。涵道共轴双螺旋桨作为涵道共轴多旋翼飞行器的主升力系统,为了进一步提升其功率载荷和抗风性,文中采用数值模拟方法对其在悬停状态、轴流状态和斜流状态下的气动特性进行了计算分析。提出了开口壁式涵道螺旋桨的主升力系统构型,并对其气动性能进行了计算,得出了开口壁式涵道螺旋桨相比涵道共轴双螺旋桨所具有的优势。     

基于扇翼机翼升推力机理的吹气机翼研究

基于对扇翼飞行器升推力产生机理的数值计算与分析，提出了一种扇翼飞行器机翼的替代方案——吹气机翼。分析了扇翼机翼升推力的产生机理并在扇翼机翼翼型的基础上构建了吹气机翼翼型。建立了两种机翼翼型的数值计算方法，通过对比相对静压分布曲线、速度云图和压力云图，证明了吹气机翼具有与扇翼机翼一样的升推力产生方式，即涡致升推力的形成机制。通过将横流风扇加速后气流流速定义为吹气机翼吹气速度，对比了两种机翼升推力随来流速度和迎角的变化关系。结果表明:两种机翼的升推力变化趋势基本一致，仅在迎角大于20°时，吹气机翼推力值相较扇翼机翼损失了近5倍。总体而言，在常规飞行状态下，吹气机翼能够替代扇翼机翼，为相关飞行器的增升和优化设计提供了一种思路。