连续变弯度翼型动态气动特性数值模拟

针对翼型后缘连续变弯度运动中后缘边界精确数值模拟的问题，提出了基于二维多项式的时空曲面拟合方法，实现了对后缘边界时空位置的精确模拟。在此基础上，基于OpenFOAM发展了翼型后缘连续变弯度与大幅度俯仰运动耦合的运动边界数值模拟，并计算了翼型耦合运动的气动力，讨论了后缘线性/非线性变形对翼型大迎角动态气动特性的影响规律。结果表明:后缘运动对翼型俯仰运动的升阻特性影响显著，特别在翼型大幅度俯仰时后缘非线性变形对升阻特性改善效果比线性变形大6%~10%。同时还研究了翼型俯仰与后缘变形运动相位差对气动特性的影响。特别地，当相位差为180°时，后缘运动使动态失速时的最大升力提高50.3%，平均升力提高34.6%；当2种运动相位差为0°时，后缘运动使动态失速时的最大阻力降低39.7%，平均阻力降低30.2%，最大升阻比提高22.3%，平均升阻比提高16.8%；同时，翼型在动态俯仰过程中出现负阻力现象，对产生负阻力的原因进行了分析。这些结果可用于指导连续变弯度后缘控制律的设计。      

3种气动弹性状态空间建模方法的对比

研究气动弹性状态空间建模的3种常用方法:最小二乘(LS)法、最小状态(MS)法和拟合状态空间(MA)法.用2个算例从颤振和频响特性角度分析和总结了它们的建模特点.在气动力有理函数拟合建模方法(LS法、MS法)研究中,着重分析滞后根的影响;在MA法的研究中,讨论了建模的特点.最后,系统对比了3种建模方法的建模效果及使用原则,为这些方法的工程应用提供参考.仿真计算结果表明,MS法建立的模型阶数低、精度适中且使用方便,是比较好的方法,而MA法建立的模型频响特性与参考结果最为接近.     

高超声速飞行器基于路径跟踪的制导方法

针对具有高位置精度要求的高超声速飞行器制导问题,提出一种基于路径跟踪和自适应动态面控制（ADSC）方法的轨迹跟踪制导的方法。根据高超声速飞行器动力学建立数学模型,同时为了方便跟踪控制对数学模型进行了部分线性化处理。针对高超声速滑翔飞行器三维轨迹跟踪存在的欠驱动问题,引入路径跟踪的思路将其转化为二维的跟踪控制问题;针对高超声速飞行器建模不确定性强的特点,使用具有较强鲁棒性的ADSC方法实现鲁棒的路径跟踪。能够证明所提出的方法可以以任意小的误差实现参考轨迹跟踪。仿真结果表明,该制导方法具有较高的跟踪精度并且具有较强的克服模型不确定性的能力。     

二元机翼滑模变结构控制颤振主动抑制

颤振主动抑制(AFS,Active Flutter Suppression)是气动弹性综合研究的活跃分支,对飞行器设计具有重要意义.以带后缘控制面的二元机翼为对象,研究滑模控制(SMC,Sliding Mode Control)用于气动弹性AFS的可行性与机理.基于准定常气动力理论建立二元机翼气动弹性系统模型,设计SMC的滑模切换面及状态反馈控制切换函数,以实现受控对象AFS,从相空间状态轨线的角度,阐述SMC使闭环系统稳定的根源.此外,还对SMC的鲁棒性及延时效应做了分析与讨论.研究表明:该控制策略可用于AFS,在气动弹性主动控制方面具有应用前景.     

基于滑模观测器的机翼颤振主动抑制设计

颤振主动抑制(AFS)是国际上普遍推崇的颤振问题解决方案,对现代飞行器设计具有重要意义。基于国际上滑模观测器的二维机翼AFS应用,以双后缘控制面真实机翼模型为对象,发展一种低阶滑模观测器的三维机翼AFS设计方法。该观测器性能优越、特点鲜明,但传统的设计流程繁琐,限制了其在高阶模型对象上的使用。本文借助线性二次型高斯(LQG)方法中的最优滤波器增益矩阵,提出一种简化的滑模观测器设计流程。结合气动弹性物理背景,使本文方法理论上能够应用于实践。算例对比分析结果表明,本文方法比LQG方法具有更好的抵抗噪声能力。     

颤振分析中的模态跟踪技术

颤振求解是一种研究参数(如空速)变化的特征值问题.在颤振模态判别和防颤振设计中,需要正确确定各阶模态对应的特征值随参数变化时的前后对应关系,避免出现模态交叉.针对颤振求解p-k法,发展了一种基于特征值摄动理论的模态跟踪技术——预测跟踪法,它利用特征值及左、右特征向量信息求解下一空速点的特征值估计量,以估计量为参考对特征值进行排序,将预测跟踪法和相似排序法、正交检验法进行了对比.数值结果表明:预测跟踪法比相似排序法和正交检验法具有更好的模态跟踪效果.     

多控制面飞机的全机颤振主动抑制设计

 以仿F/A-18A外形的全机模型为对象,研究多输入/多输出（MIMO）飞机颤振主动抑制（AFS）设计方法和特点。控制律采用线性二次型高斯（LQG）方法,结合平衡截断法降阶。首先,仅用机翼舵面对机翼部件和全机设计AFS控制律;然后,全动平尾参与AFS控制;最后,机身额外加装小翼,与机翼舵面联合控制,考察AFS效果。研究发现：单独机翼AFS效果显著,颤振速度提高28%;全机构型有机身模态参与颤振,仅用机翼舵面,低阶控制律颤振速度增量仅为4.6%;全动平尾参与控制可改善低频颤振,但存在低速的高频不稳定模态;机身小翼与机翼舵面联合控制,AFS控制效果可达14.9%。最终,筛选出机翼后缘内侧舵面与机身小翼两组控制面进行AFS设计,即可达到14.5%的颤振速度增量,是较为理想的AFS方案。     

变弯度后缘与常规舵面机翼的颤振主动抑制对比

后缘变弯度机翼的气动弹性建模与稳定性分析日益受到关注。为了探究变弯度后缘相比常规偏转舵面机翼颤振主动抑制的方法与特点，以一个小展弦比后缘变弯度机翼为对象，首先建立结构有限元模型，并引入变弯度后缘变形模态和常规舵面偏转模态，采用亚声速偶极子格网法计算非定常气动力；然后使用基于最小状态法的有理函数拟合进行频域到时域模型的转换，建立两种构型机翼的气动弹性模型，并在建模时考虑了变弯度后缘与常规舵面控制带宽的差异；最后利用线性高斯二次型方法设计控制律进行颤振主动抑制，分析对比两种控制方式的特性差异。结果表明：采用变弯度后缘的闭环系统能够将颤振临界速度提高22%，其提升效果优于常规舵面，所需舵面偏转峰值更小。     

柔性变弯度后缘机翼的风洞试验模型优化设计

本文通过优化的方式设计了一种具有较高变形精度的适用于变体飞行器的柔性后缘变弯度装置。该装置通过结构的弹性变形传递力和运动，包括驱动器、一体成型的蒙皮与梁结构组成。在给定的结构拓扑形状下，为了寻找到最优的驱动、结构参数，本文系统化地提出了柔性变弯度后缘的设计框架。该设计框架包括了变弯度机翼外形参数化方法、变弯度气动外形的优化设计方法和结构参数优化方法，求解结构变形时考虑了几何非线性大变形，采用最小平方误差和考虑空间顺序的Fréchet距离来衡量后缘真实变形与目标变形之间的相似性。对比研究表明，最小误差距离不能捕捉到局部的噪声，而Fréchet距离可以很好地控制最大的变形误差，所需迭代次数较少，并能获得整体变形精度较高的结果。数值仿真验证了所提出的优化方法的有效性。本文对多种具有不同拓扑的初始结构进行参数优化，最大能提高91%变形精度。最后，利用增材制造技术实现了柔性变弯度后缘翼段，该部件具备下偏22.5°,上偏7.5°的变形能力。