直升机非线性运动方程及其数值分析

基于牛顿法建立了单旋翼带尾桨直升机的非线性运动方程，提出了一种求解直升机非线性运动方程的数值方法。建立方程时，用欧拉角描述直升机在空中的姿态，旋翼采用有挥舞铰且在铰上带有弹性约束的模型，桨盘处的入流采用线性模型，通过对一算例直升机的操纵响应进行数值仿真，将非线性与小扰动线性化的直升机运动方程进行了对比分析。结果表明：从操纵输入到随后的2s左右，非线性和小扰动线性化的直升机运动方程的计算结果非常接近，但在此之后，非线性运动方程的计算结果更能反映直升机的运动规律。     

直升机全量飞行动力学数值仿真模型及其实现

论述了一种通用的直升机飞行动力学全量数值仿真模型及其实现，该模型有６个机体自由度和３个旋翼自由度。以旋翼系统的仿真为重点，将直升机旋翼的气动力和力矩通过沿半径和方位角的解析积方求得，并计入了旋翼挥舞动力学的影响。仿真模型以某型直升机为算例，并加入了增稳系统，对仿真模型飞行特性进行了初步的验证，结果表明，所述模型思路是正确的。     

电控旋翼直升机飞行动力学建模与配平特性研究

首先基于Peters He广义动态尾迹理论,建立了电控旋翼动态尾迹入流模型,进一步结合电控旋翼襟翼操纵与桨叶变距之间的关系、桨叶挥舞运动方程和带襟翼翼型非定常气动力模型建立了适用于飞行力学分析的电控旋翼气动力模型.在此基础上,结合机身、尾桨、尾面的气动力模型,建立了完整的电控旋翼直升机飞行动力学分析模型.以Z-11直升机为基准改造为电控旋翼直升机作为算例,计算了前飞状态下电控旋翼直升机的诱导速度分布和桨盘迎角分布,对比了电控旋翼与常规旋翼的气动特性差异;在此基础上,进一步分析了电控旋翼直升机的配平特性随前飞速度的变化规律以及与常规直升机的差异.     

直升机悬停回转时尾桨载荷计算研究

本文推导了直升机尾桨线性和非线性的静、动力分析方法,从理论上推导出直升机尾桨叶在悬停回转时的运动学及动力学之间的关系,并对Z11型机悬停回转状态下尾桨叶载荷进行了计算。     

由Bo—105飞行试验数据识别非线性导数模型

本文描述了对时域识别非线性直升机模型的研究结果。近年来，人们应用频域识别技术估算直升机模型中的参数。最近，DLR的时域识别方法得到改进，允许识别完全非线性模型。为了研究将这种方法应用于直升机，建立了带有单个桨叶挥舞角显方程的非线性导数模型。与线性导数模型相比，非线性模型物理上更真实，而且不受小扰动假设的限制。虽然有许多未知因素必须确定，但一种非线性模型已被成功地识别出来。     

基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的ALQR控制器设计

构建了UH-60A直升机六自由度非定常、非线性气动力模型以及完整的直升机/涡轴发动机非线性综合仿真模型。使用增广LQR方法设计了直升机飞行控制器,包线内大量仿真结果及与 控制器效果的对比表明该控制器解耦性能、指令跟踪性能优越,鲁棒性强。此外,该控制器设计过程简单和调参方便。借助上述综合仿真模型研究了发动机闭环系统与直升机的功率匹配关系,数字仿真表明,发动机能够满足直升机机常规飞行任务下的功率需求,功率涡轮转速下垂量满足直升机飞行操纵品质规范（ADS-33E）的要求。     

操纵策略对高速直升机前飞性能的影响分析

针对共轴刚性旋翼高速直升机的操纵冗余问题，开展基于旋翼/推力桨气动力分配的操纵策略研究，并分析其对飞行性能的影响。首先，基于动量-叶素理论与尾迹叠加模型发展了共轴刚性旋翼和推力桨的气动模型，并采用动量源方法建立计入旋翼干扰的机身气动力CFD计算模型。其次，根据所建立的各部件气动载荷求解方法，构建高速前飞状态全机操纵与姿态配平方法。最后，分析旋翼/推力桨不同气动力分配的操纵策略对高速直升机飞行性能的影响规律。研究发现，直升机在巡航高度高速飞行时，旋翼提供部分牵引力可以有效增大高速直升机的最大前飞速度，而操纵策略改变对斜爬升率影响不大。     

直升机飞行动力学模型的验模方法研究

为验证所建立的直升机飞行动力学模型的正确性，根据先验数据建立了一套验模方法，确立了直升机飞行动力学建模过程的验模准则，分别给出针对配平，线化，操纵响应等计算项目结果正确性问题一般性的判断方法，研究了全状态线化模型，降阶模型及非线性模型之间的内在联系与适用范围，分析并得出操纵响应计算结果的正确性判别方法，最后，对直升机飞行品质评估中的频域与时域参数计算方法进行了讨论，针对实时飞行仿真应用的建模提出了一些见解。     

基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的增广LQR控制器设计

构建了UH-60A直升机六自由度非定常、非线性气动力模型以及完整的直升机/涡轴发动机非线性综合仿真模型.使用增广LQR方法设计了直升机飞行控制器,包线内大量仿真结果及与H_∞控制器效果的对比表明该控制器解耦性能、指令跟踪性能优越,鲁棒性强.此外,该控制器设计过程简单和调参方便.借助上述综合仿真模型研究了发动机闭环系统与直升机的功率匹配关系,数字仿真表明:发动机能够满足直升机机常规飞行任务下的功率需求,功率涡轮转速下垂量满足直升机飞行操纵品质规范(ADS-33E)的要求.      

基于UKF的共轴式无人直升机模型辨识

建立了共轴式无人直升机系统非线性模型,并针对其非线性强,不同飞行模态下气动参数差异等问题,将无迹卡尔曼滤波(UKF)引入共轴式直升机系统非线性模型辨识,不但避免了直升机线性模型仅仅适用于悬停模态的局限性,同时为直升机系统在线自适应控制提供了基础条件,使得共轴式无人直升机自主全包线飞行成为可能.以北京航空航天大学FH-1共轴式无人直升机为例进行了仿真辨识实验.实验结果表明基于该方法的共轴式直升机在线非线性模型辨识不依赖于参数初值的选取,模型参数能在10s内收敛,各状态量辨识精度达到80%以上,明显高于传统的预报误差法(PEM),具有一定的实用性.      

直升机飞行动力学数学建模问题

直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础,也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统,在直升机飞行动力学建模过程中,必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性特性,给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式,是对不同假设、子模型进行分析和综合的一个复杂的过程。鉴于此,简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状,着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼/发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后,针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。     

舰面状态直升机机体在起落架上的固有频率分析

针对起落架缓冲支柱和轮胎的非线性特性,应用等效线性模型,提出一种预估刚性机体在弹性起落架上的固有频率计算方法。利用缓冲支柱和轮胎的刚度和阻尼试验数据,采用循环迭代方法计算了机体耦合振动的固有频率;分析了直升机重量、旋翼拉力、舰面运动状态、舰面风力等因素对机体模态固有频率的影响。对最不稳定的机体侧向二阶模态而言,最大设计重量和大升力状态时其固有频率最低,与最小重量、零升力状态相比其稳定转速余度减少约133 r/min;文中假设的舰面运动状态和舰面风力对机体模态的固有频率影响很小,而采用纵、横侧向独立的简化模型来预估机体模态固有频率具有足够的精度。     

直升机机动飞行的逆模拟

本文给出了一种直升机机动飞行的逆模拟方法以计算跟随预定飞行轨迹的驾驶员操纵,根据这一方法可以确定为完成直升机机动飞行所需的驾驶员操纵输入及直长机的飞行速度、角速度和的变化历程。直同飞行动力学模型没有作任何线化假设,其中考虑了旋翼入流的时滞效应、前行桨叶的压缩性物后行桨叶的失速特性及旋翼桨叶的非定常挥舞运动,引入了旋翼尾迹对直升机机身、尾翼和尾桨的气动干扰。最后以黑鹰直升机为例计算了鱼跃越障机动飞行     

旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性

和传统直升机相比,旋转机翼（CRW）飞机在旋翼模式前飞时各部件之间存在更为严重的气动干扰。为了获得旋转机翼/机身/鸭翼/平尾之间的非定常气动干扰规律,基于运动嵌套网格技术,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,建立了旋翼前飞流场数值模拟方法。首先对传统直升机旋翼/机身干扰模型进行了计算,验证了方法的可靠性,然后对某旋转机翼飞机全机在旋翼模式前飞状态下的非定常流场进行了数值模拟,并对各个气动部件上的非定常气动力和力矩的变化进行了分析。结果表明：飞机在旋翼模式前飞时,机身部件对旋转机翼的干扰较弱,在经过机身上方时拉力峰值仅略有增加;旋转机翼对鸭翼和垂尾干扰较弱,对机身和平尾干扰较强,随着前飞速度增大,旋转机翼对平尾的干扰会产生较大的升力损失和抬头力矩,需要引起重视。计算结果为该类飞行器的总体综合设计提供了参考。     

非线性叶间黏弹减摆器对直升机空中共振的影响分析

 建立带非线性叶间黏弹减摆器的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。与全机飞行力学平衡计算相结合,旋翼/机体耦合动稳定性分析模型考虑前飞状态桨叶变距操纵、机体姿态角和桨毂纵向安装角。针对具有非线性特性的叶间黏弹减摆器,采用基于复模量的非线性VKS改进模型、Simulink时域仿真和多桨叶坐标变换等效阻尼识别法分析直升机悬停、前飞状态下旋翼/机体耦合动稳定性及减摆器双频动幅值,并就减摆器布局、全机总重以及前飞速度对桨叶摆振后退型模态阻尼的影响进行分析。结果表明：由悬停到前飞直升机动稳定性一般均下降,一定速度后又上升;加上减摆器能消除前飞不稳定区;叶间黏弹减摆器抬头连接能提高模态阻尼。     

A Mathematical Model for Helicopter Comprehensive Analysis

This article presents a new mathematical model for helicopter comprehensive analysis with the features of flexibility and mathematical simplicity. The model synthesizes the rigid fuselage motion model with 6 degrees of freedom, coupled flap-lag-torsion elastic rotor blade motion model, unsteady aerodynamics model with dynamic stall and high order generalized dynamic wake model. A new blade structural operator with implicit form is formulated, and the components of the blade structure model are independent of each other so that it is convenient to change or handle any component of blade structure without changing the others. What is more, the entire model is developed in a strict state-space form to simplify the comprehensive analysis. Finally, the UH-60 helicopter is taken as an example to predict the blade natural characteristics, the trim characteristics including controls and fuselage attitudes as well as the airloads at blade section under the flight conditions of high speed with moderate thrust and high thrust with moderate speed. The results are compared with UH-60 flight test data and those predicted by two well-known comprehensive codes. The validity of the model presented in this article is verified.     

直升机急拉杆机动飞行仿真建模与验证

 针对直升机大机动飞行仿真,建立了一个非线性的飞行动力学模型,考虑了翼型非定常/动态失速、机动飞行引起的动态尾迹畸变、桨叶弹性变形效应和发动机动态特性。采用基于有限元分析的挥舞-摆振-扭转耦合的弹性桨叶模型,并利用一种新的数值方法将旋翼/机体耦合运动方程表示为显式形式,整个飞行动力学模型表示为状态空间格式。以UH-60A直升机在高速飞行条件下的急拉杆机动飞行为例进行仿真计算,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明,仿真结果与试验结果吻合,高速飞行条件下机体抬头过程中前行桨叶非定常气动载荷的计算误差是引起旋翼和机体运动仿真误差的主要原因。     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.     

直升机旋翼叶间减摆器的参数影响分析

建立了带叶间减摆器的直升机旋翼/机体耦合非线性动力学分析模型,针对具有线性特性的叶间减摆器,采用数值模拟及时域方法分析了直升机前飞状态下旋翼/机体耦合动稳定性及减摆器载荷,并就减摆器布局、几何参数对系统动稳定性及减摆器载荷的影响进行了分析。研究发现,"叶间"布局引起的几何耦合对减摆器载荷及系统的动稳定性有很大的影响,合理选择减摆器安装支臂的长度及其与桨毂平面之间的夹角,可以有效地利用几何耦合的因素。与基本模型相比,它能使系统的模态阻尼提高50%以上,而同时使减摆器的定常循环载荷的幅值下降60%左右。