利用旋翼机和固定翼飞机的空气动力学理论综合估算电动垂直起降飞行器的飞行性能（英文）

根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降（Electric vertical takeoff and landing, e VTOL）飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋翼和螺旋桨的气动性能采用传统动量理论分析和旋翼元素分析。本文利用此综合理论研究了12架e VTOL飞行器的飞行性能,包括多旋翼飞行器、矢量推进飞行器和升力巡航飞行器。计算了悬停、爬升和下降以及巡航水平飞行,不同飞行状态时驱动电机、旋翼和机身的飞行特性。据此,可以进一步确定电力推进系统的性能指标,以匹配螺旋桨或旋翼,从而满足飞行任务。     

一种新的临近空间螺旋桨地面试验方法

提出了一种采用轨道拖车搭载螺旋桨的临近空间螺旋桨地面试验方法。利用中航工业特种飞行器研究所的高精度拖车试验台控制螺旋桨前进速度,螺旋桨转速由伺服电机控制。针对新设计的临近空间低雷诺数螺旋桨,依据等前进比和等雷诺数相似准则,进行了螺旋桨在不同飞行高度下气动特性的地面试验研究。通过试验数据与片条理论及CFD方法计算结果的对比分析,验证试验方法的可行性及螺旋桨气动性能。结果表明:(1)由于桨尖马赫数较低,等前进比和等雷诺数相似准则适用于新设计的临近空间螺旋桨地面试验;(2)不同飞行高度下螺旋桨地面试验数据与计算结果吻合良好,说明提出的方法是可行的,可为同类螺旋桨试验提供参考。     

平流层螺旋桨等离子体流动控制地面实验方法

根据螺旋桨雷诺相似准则和等离子体射流相似准则,提出了一种基于螺旋桨叶素理论,利用地面实验设备开展平流层螺旋桨等离子体流动控制研究的实验方法。首先根据螺旋桨几何参数和运动参数计算叶素微段来流速度和迎角,然后根据螺旋桨雷诺相似准则确定常压翼型风洞模拟平流层叶素流动的吹风参数,最后根据等离子体射流雷诺相似准则,确定激励器和激励电源参数模拟平流层等离子体射流并评估其流动控制效果。利用该方法研究了20km 高度 S1223翼型螺旋桨的等离子体流动控制效果,实验表明:飞艇以5~20m/s 的速度前进时,SD-BD 激励电压峰-峰值13.6kV,频率10kHz 时,诱导的等离子体射流使螺旋桨300r/min 时推力最大可提高10.9%,600r/min 时推力反而减小了0.52%~1.7%。     

多涵道无人机设计及悬停性能数值仿真

针对无人机空中自主对接和组合飞行任务需求设计了6涵道螺旋桨无人机气动构型。运用数值模拟对该型无人机进行悬停工况气动特性研究，研究不同悬停转速下整机气动性能的变化，并在涵道环括工况下对螺旋桨进行气动优化。研究结果表明：螺旋桨是悬停升力的主要来源，随着转速变化，涵道升力始终占总升力的17%左右；阻力来自机体上表面和电机支架的迎风阻力，支架的阻力达到涵道螺旋桨总升力的10%；随着桨盘载荷提升，无人机功率载荷降低；涵道的存在影响了螺旋桨的滑流特性，造成桨盘平面轴向速度增加，截面翼型迎角变小，工作效率降低，经过合理调整其扭转角分布螺旋桨效率得到提升，拉力提高3.3%，效率提高2.9%。     

低速风洞滑流试验中的几个影响因素与修正方法探讨

螺旋桨飞机带动力模型的风洞实验结果的准精度远较无动力实验差。在采用了先进的高转速大功率螺旋桨驱动电机及稳转速控制系统后,情况大有改善。但对不同期实验结果的吻合性仍无明显改进。本文基于螺旋桨飞机模型风洞实验动力模拟原理和基本的实验方法,对带动力实验过程中影响实验重复性精度的各种因素进行了分析,指出风洞温度、大气压和速压偏差是影响风洞滑流实验准精度的三个主要因素。并给出了三个影响因素对实验结果影响的修正方法。实践证明,按文中提供的滑流补偿实验法进行实验可以基本消除因风洞温度和大气压变化对实验结果的影响。速压偏差影响也可以按文中提供的数据处理方法得到较为满意的修正。考虑上述修正后,不同时间的滑流实验的准精度可与无动力实验相比,特别对阻力分量的准精度的提高尤为显著。     

小型螺旋桨飞机动力装置特性试验研究

小型螺旋桨飞机的动力装置一般由活塞式发动机和螺旋桨两个主要部分组成。本文用实验验证和理论计算的方法,研究了活塞式发动机和螺旋桨性能传统的估算方法所得到的数据与实测结果之间的偏差,并进一步研究了发动机和螺旋桨性能参数的不同匹配对整个飞机动力装置特性的影响。研究结果表明,传统的估算方法对于装小型活塞式发动机的螺旋桨飞机也是适用的。用传统的估算方法所得到的各种性能数据与实验测试数据比较,相对误差的最大值均低于１０％,这对工程应用来说,是可以接受的。文中还用试验数据和试飞实例说明了对动力装置匹配参数加以优化的重要性。     

机动弹头舵轴热环境分析

机动弹头舵轴热环境是高超声速飞行器热防护系统设计中需重点考虑的局部问题,舵轴缝隙中流动结构极其复杂,且舵轴局部热环境峰值相对于大面积区域要严重得多。针对高超声速机动弹头舵轴热环境问题,结合数值模拟方法和激波风洞试验,研究了舵轴热环境随迎角、舵偏角、马赫数和飞行高度等参数的变化规律。结果表明,对于十字布局的气动舵,大迎角时水平舵轴热环境最为严酷;在小迎角条件下,水平舵轴无量纲热流随舵偏角和马赫数逐渐上升,但在大迎角情况下,马赫数和舵偏对水平舵轴无量纲热流的影响较小。在此基础上,建立了适用于舵轴热流峰值预测的四参数插值拟合方法,可用于舵轴峰值热环境随飞行历程的快速预测。     

小型杆式超声电机及其驱动电源的研究

开发了一种驱动仪表指针用的新型小型杆式超声电机,分析了电机定子等效电路参数的测量方法.为了缩小驱动电源的尺寸,根据谐振升压原理,研制了与该杆式超声电机相匹配的小型无变压器驱动电路.理论分析证明,当选择基波频率驱动、开关信号占空比为0.65时,驱动电路的工作效率最高.实验结果表明,电机的最高空载转速为520 r/min,最大输出扭矩为4.5×10-3N·m,故验证了样机及驱动电源设计方案的正确性.     

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。     

一种圆筒型非接触式超声电机

为提高圆筒型非接触超声电机的实用性,提出一种圆筒型非接触式超声电机,电机主要由圆筒形的定子和圆筒形的转子构成,通过轴输出扭矩。文中对该型电机的驱动机理进行了分析,利用声流理论分析该电机的驱动力,获得了堵转力矩的特性。最后采用激光多普勒测振仪测试了样机定子的振动特性,并测量了电机的转速和堵转力矩,最高转速达到2100r/min,堵转力矩为1.3×1-05N.m。研究结果表明,电机运行性能良好,理论分析方法是有效的。     

双凸极永磁电机数字控制驱动系统的分析与实现

揭示了采用斜槽转子结构的双凸极永磁电机独特的静态特性和运行原理,分析研究了新颖的控制策略和变P I参数转速调节与单极性电流滞环调节相结合的双闭环控制方案,阐述了DSP的数字实现方法,设计研制了9 kW,12/8极转子斜槽式双凸极永磁电机驱动系统。实验结果表明,转子斜槽结构电机与本文控制方案的结合有效改善了齿谐波效应,提高了电机出力及运行平稳度,具有结构简单、功率密度高、效率高、起动速度快和可控性好等优点。     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究——A:实验方案设计

为了获得翼型在尾缘合成射流作用下的气动特性,针对 NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘合成射流实验,设计内容包括实验模型的设计,低频大功率合成射流致动器的设计,以及测量方案的设计。该实验方案在伺服电机达到适当转速时,合成射流器能够达到较好的吹/吸气效果。通过调节地面气缸的行程和电机的工作频率,可以实现对喷口速度、频率等参数的调节,为研究合成射流动量系数和减缩频率对气动力和力矩的影响规律提供了便利。针对二元实验段,采用自行设计的二分量应变天平测量动态升力和力矩。该实验模型在二元风洞中顺利开展了相关实验研究。研究结果显示,当合成射流频率为3Hz 时,升力系数的幅值约为0.16。因此,尾缘低频大功率合成射流可以使翼型获得较大的用于控制气动弹性的控制力。这种新型作动方式为未来飞行器气动弹性稳定性控制提供了一种新途径。     

无人机螺旋桨实验天平的研制

螺旋桨实验是一种非常规实验 ,其特点决定了螺旋桨天平的特殊性。为了探索新的扭矩测量方法 ,准确研究螺旋桨的性能 ,设计了螺旋桨实验专用天平。该天平是同步旋转应变天平 ,实验中天平随螺旋桨高速旋转。天平设计要保证质量分布均匀 ,采用特制滑环引出电信号 ,并且天平后端用支架支撑以减小振动。该天平较一般固定式天平复杂 ,但更合理地解决了扭矩测量问题。实验结果表明 ,天平总体方案正确 ,设计合理 ,测量精度高 ,有效解决了小型螺旋桨实验问题     

微型飞行器螺旋桨的气动优化设计

提出了一种用于微型飞行器螺旋桨的气动优化设计方法。该方法分为两部分：基于有限片桨叶涡流理论的气动性能计算和采用遗传优化算法的优化设计。在优化过程中，用贝塞尔样条描述桨叶的宽度和安装角沿半径的分布，考虑了桨叶不同剖面处雷诺数的变化，以螺旋桨的推进效率作为目标函数得到了桨叶沿半径的宽度、安装角的最佳分布。设计结果表明，该方法能够得到工程上实用的设计结果。最后，根据该方法制作了用于螺旋桨气动设计和性能计算的软件，该软件能方便数据输入，直观显示设计结果。     

一种新型微型杆式超声电机及其驱动原理

提出了一种新型微型杆式超声电机,并对该杆式电机的驱动机理进行了仿真。该电机采用两段金属柱体压紧5片压电陶瓷片作为定子。该定子结构和压电陶瓷片的布局方式可以提高其机电转换效率。为尽量减小定、转子之间的径向滑移以提高摩擦传动效率,电机采用了柔性转子,对原理样机及其微型驱动器进行了性能实验。电机的外径为9mm,长度为15mm,重3.2g。当电机工作在杆式定子的一阶弯曲频率(72kHz)附近时,电机实测最大转速为520r/min,最大输出力矩为4.5mN·m。实验结果表明,该电机具有良好的稳定性,利用频率自动跟踪技术对电机转速进行闭环控制,可以将其转速波动稳定在3%之内。     

再入弹头裙部分离风洞静态实验技术研究

本文给出了再入飞行器的截锥体在风洞中作静态分离实验的气动力姿态模拟方法和非均匀(存在前体的尾迹)流场中的对称截锥体的静稳定特性的判别法则。统一了再入飞行器截锥体分离的风洞静态实验和风洞自由飞实验结果之间的矛盾。按照上述方法和法则,本文通过M_∞=4.04和4.98的实验指出,截锥体分离后是不稳定的。这与再入飞行器打靶时截锥体分离后回收的残骸分析及风洞自由飞实验的结果相一致。     

恒速运行时交流励磁系统电流线性放大器特性分析

着重研究了恒速情况下交流励磁系统的电流线性放大器特性的实现问题。作者采用了ａｂｃ坐标系统下的凸极同步发电机的数学模型，对交流励磁机带桥式整流电路进行了精确的计算机仿真分析。结果表明，在恒速运行时，电流线性放大器特性的好坏主要取决于电机的电抗负载因素，以及直轴同步电抗大小。通过合理选择电机参数，交流励磁机的电流线性放大器特性可基本得到实现。这对改善电机性能，减轻调压器负担，提高调压精度等有重大意义。     

小型水平轴风力机调速特性的实验研究

对小型水平轴可变桨距风力机调速特性的大量风洞实验结果进行了分析，并结合理论予以讨论，研究了各有关参数对风轮调速特性的影响。结果表明，要使风轮得到理相怕调速效果，必须综合考虑调速机构参数和叶片的设计，只要设计适当，在大于额定风速后，具有螺旋槽变距机构的小型水平轴风力机的速的眯化可以基本保持额定转速不变，得到相当宽的工作风速范围。     

风能引信电机的超声速实验技术研究

对于榴弹风能引信电机输出特性的研究,过去都是在闭口式风洞中进行实验,但经大量实验证明,闭口式风洞中各种因素的影响,不利于研究榴弹风能引信电机输出性能及抗高转速的问题。笔者应用气体动力学和实验空气动力学理论,设计一种适合榴弹风能引信电机超声速射流实验装置,利用该装置进行了现有各种型号风能引信电机的超声速实验研究。在此基础上,把超声速风能引信电机进气通道改为拉瓦尔喷管形式。采用实验方法选择出最佳喉道面积。最后,通过实弹打靶得到了验证,同时对风能电机的输出电压和频率进行了风洞试验和打靶遥测数据比较,两者吻合较好。研究表明,拉瓦尔喷管形式的引信电机应用速度范围宽,并便于控制电机的转速。该研究解决了多年来引信电机抗高转速的问题。     

上升段飞行器目标的视频图像跟踪

粒子滤波是一种基于贝叶斯估计理论和蒙特卡罗理论的实时目标跟踪方法,具有较为灵活的并行化跟踪方式,能够较好地维持跟踪目标的假设状态,具有较好的跟踪效果和鲁棒性。上升段飞行器目标飞行视频图像跟踪是火箭等目标飞行监控的重要阶段,但现阶段对飞行器上升段的视频图像跟踪主要依靠人工手动操作云台控制器,实现视频图像中的飞行器跟踪,跟踪图像存在跟踪滞后、画面抖动等现象,跟踪效果受人为因素影响较大。本文提出一种基于粒子滤波方法的上升段飞行器目标视频图像跟踪方法,建立飞行器目标粒子滤波跟踪模型实现对飞行器目标的识别和跟踪,在识别和跟踪的基础上建立云台控制模型,通过对云台的智能控制获得飞行器上升段的高质量图像。采用火箭发射的视频图像作为模型验证的实验数据,检验飞行器目标的跟踪效果。