直升机动稳定性分析和增稳系统控制律设计

研究了无铰直升机动稳定性、操纵性和控制问题.在动稳定性计算分析的基础上,认识到定常飞行中的非稳定模态和增稳系统设计的必要性.在完成直升机非线性动力学建模之后,经小扰动线化得到直升机飞行控制状态方程,进行了直升机增稳系统等效导数的计算,性能分析和系统阶跃响应仿真.通过稳定性(增稳系统)设计,改善了直升机动稳定性, 其增稳性能满足设计规范中一级动态品质要求.     

通用直升机雷达散射特性及RCS减缩

采用物理光学法和等效电磁流法作为RCS(Radar Cross Section)数值计算方法,通过对某飞机模型的实验测试,验证了算法的有效性.建立了某通用直升机的几何外形模型,计算RCS特性并分析其重要散射源.进行机身外形和旋翼的RCS减缩研究,提出了通用直升机隐身外形设计方法.改形后全机雷达散射水平在头(尾)向和侧向分别降低至原型的10％和1％,且静稳定性及有效容积基本不变.通用直升机进行外形隐身设计后,旋翼成为全机的重要散射源(特别在头向及尾向),还须采用其他方法进行RCS减缩.     

通用直升机雷达散射特性及RCS减缩

采用物理光学法和等效电磁流法作为RCS(Radar Cross Section)数值计算方法,通过对某飞机模型的实验测试,验证了算法的有效性.建立了某通用直升机的几何外形模型,计算RCS特性并分析其重要散射源.进行机身外形和旋翼的RCS减缩研究,提出了通用直升机隐身外形设计方法.改形后全机雷达散射水平在头(尾)向和侧向分别降低至原型的10%和1%,且静稳定性及有效容积基本不变.通用直升机进行外形隐身设计后,旋翼成为全机的重要散射源(特别在头向及尾向),还须采用其他方法进行RCS减缩.     

基于ADRC的涡轴发动机／直升机子系统抗扰控制

主要研究涡轴发动机转速抗扰控制问题,提出了一种基于自抗扰控制技术(ADRC,Adaptive Disturbance Rejection Control)的涡轴发动机增量型串级抗扰控制器设计方法.一方面,采用串级控制结构,内环控制块模态的燃气涡轮转速,外环控制功率涡轮转速,使得内环扰动得到快速抑制.另一方面,每个子回路中通过扩张状态量观测实时地对被控对象内环进行扰动补偿.最后,基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的数字仿真表明该控制方法显著改善了涡轴发动机功率跟随特性,提升了直升机/涡轴发动机综合闭环系统的可操控极限.     

需求信息共享供应链系统稳定域内的优化

考虑由分销商和制造商构成的需求信息共享的二级供应链系统,通过考察系统参数对系统稳定性的影响,确定系统的稳定域;建立系统的3个稳定性指标,利用最优化理论及多目标优化算法NSGA-Ⅱ在系统稳定域内搜索实现系统最优状态的参数组合,这些最优解能使系统的3个稳定性指标达到Pareto最优,即不可能改善某一个稳定性指标,而不使其他指标受损.通过仿真实验确定系统在不同提前期参数取值情况下的最优稳定性指标值和相应的参数组合,研究在稳定域内系统参数对系统最优状态下3个系统指标的影响.根据研究结果提出了旨在提高供应链运行稳定性及稳定状态下寻找最优系统状态的管理学建议.     

基于模糊控制的直升机纵向电传控制律设计

直升机具有多变量、轴间强耦合和不稳定的非线性系统的特点,在悬停状态下尤为严重,用常规控制方法设计的控制系统难以满足高性能直升机的需要.模糊控制是一种比较近似于人类解决问题方式的控制方法,通过模仿人类思维中的模糊概念,进而控制某些不确定系统,应用模糊控制对直升机在悬停条件下纵向姿态控制/姿态保持(ACAH)响应类型控制律进行设计,通过仿真证明了这种方法的良好效果.      

纵列式直升机配平计算及稳定性、操纵性分析

为了进行纵列式直升机定直平飞状态的配平计算,建立了两种非线性飞行动力学模型(涡流理论模型和动量理论模型).提出了基于线性小扰动理论和五点中心差分算法的稳定性、操纵性导数计算方法;采用状态空间表达式形式的动力学方程,计算了纵列式直升机非耦合运动状态下的稳定根;以动量理论模型为基础,以MATLAB软件为计算平台,进行了纵列式直升机稳定性与操纵性的分析.最终计算结果与参考数据吻合较好,为纵列式直升机飞行品质研究奠定了基础.     

轴压开口圆柱薄壳屈曲分析与试验

开口圆柱薄壳结构的轴向承载能力和稳定性分析是空间薄壁管式伸展机构(STEM,Storable Tubular Extendable Member)设计的关键问题之一.基于特征值屈曲分析方法,研究了轴压铍青铜开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的屈曲载荷与设计参数间的关系,利用幂函数拟合的方法建立了一种轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型.通过铍青铜开口圆柱薄壳轴向压缩试验对特征值屈曲分析和所建立的轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型进行了验证.结果表明:特征值屈曲分析方法可用于各向同性材料开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的轴向承载能力与稳定性分析;使用轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型计算各向同性材料的开口圆柱薄壳在两端固支条件下受轴压作用时的屈曲载荷,最大误差为21%.     

舰载直升机旋翼/机体耦合动力学稳定性

建立了舰载直升机和舰船运动耦合动力学模型,考虑了舰载直升机起落架非线性和非对称的特点,并将舰船振动自由度与旋翼/机体系统相结合分析了直升机系统耦合动力学稳定性.舰载直升机采用无轴承旋翼,用中等变形梁理论建立桨叶、柔性梁和扭矩套的有限元模型,考虑桨叶多路传力特点和桨叶根部的摆振销与变距拉杆的约束.起落架包括液压作动器和橡胶轮胎,起落架系统具有非线性特点,在不同载荷下其刚度和阻尼都不同.采用所建立的动力学模型分析了舰载直升机的"舰面共振"动力学特性,首先通过算例中的无轴承旋翼直升机"地面共振"频率与阻尼曲线验证了旋翼机体耦合模型的正确性.其次发现舰船在横摇振动情况下,旋翼/机体耦合系统的旋翼不稳定转速区域会提前出现,如果鱼叉系留则会推迟不稳定转速,并且增加系统的阻尼.     

直升机旋翼/动力/传动系统模型及耦合影响

为了提供有效的避免系统共振的设计措施,针对某型直升机的实际情况建立了该型号直升机的发动机、传动系统与旋翼、尾桨组成的机械扭振系统的分析模型.用特征分析和阻抗匹配方法对系统各个模态固有特性包括固有频率和振型进行了对比计算和结果分析.研究了模态固有特性在扭振系统耦合前后的变化,以及旋翼变转速对孤立桨叶和耦合后旋翼固有特性的影响,得出了避免系统共振的设计措施.      

直升机飞行数值仿真中尾桨动力学模型探讨

针对常规单旋翼带尾桨直升机,通过对尾桨挥舞运动方程,尾桨动力入流模型,旋翼和机身在尾桨处侧沅的分析与计算,探讨尾桨动力学模型中不同因素对于直升机整机直线飞行状态的配平和驾驶员纵输入动态响应数值仿真精度的影响程度,为不同目的飞行数据仿真中尾桨动力学模型选取提供参考,本文以ＵＨ－６０Ａ直升机的算例进行了对比分析。     

转轴扭转变形动态测量噪声消除方法研究

转轴的扭转变形信号中包含了大量与转轴运行状态相关的信息,但往往被噪声所淹没,合理的去噪处理能够得到更有效的信号成分,有助于对转轴的工作状态做出正确的判断。相比于传统滤波方法,基于EMD的去噪方法有较强的自适应性,更适合动态信号的处理。从转轴相互正交的两个方向采集的相位差信号,依据两路信号EMD分解后各阶本征模态函数的相关性去除噪声并恢复出有效信号。仿真验证了该方法的有效性,并将其运用到实际转轴扭转变形信号的处理中,得到了更为准确的扭转变形信息。     

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。     

入流模型对直升机配平及动态响应的影响

以常规单旋翼带尾桨直升机为对象,讨论均匀与非均匀入流模型对直升机飞行数值仿真的影响.以Pitt/Peters的动力入流模型为基础,讨论均匀与非均匀入流模型对直升机配平的影响,并分别采用非均匀静态入流、均匀与非均匀动力入流模型,分析直升机在低速、中速和高速前飞时对驾驶员操纵输入动态响应数值仿真的精度及影响程度,为不同目的飞行数值仿真中入流模型的选取提供有益的参考.本文以美国UH-60A黑鹰直升机为对象进行了数值仿真与对比分析.      

基于耦合动力学要求的旋翼阻尼器特性分析

旋翼阻尼特性是直升机动力学问题的要素之一,根据全机动力学设计要求,进行地面共振和旋翼/动力/传动扭振系统稳定性分析,并据此提出旋翼系统阻尼特性参数设计要求.分析了粘弹性阻尼器和液压阻尼器的特点,研究了阻尼器刚度和阻尼对全机耦合动力学的影响;通过比较不同孔径节流孔的阻尼特性,确定了阻尼器设计方案.计算分析结果以及阻尼器样件的性能试验和机上试验验证结果表明:阻尼特性能够满足地面共振和旋翼/动力/传动扭振系统稳定性要求,并可实现其用于桨叶折叠的功能要求.      

气动布局参数对直升机飞行品质的影响

以UH-60A直升机为例,建立了适合于飞行品质评价的直升机非线性飞行动力学模型,对算例机模型进行配平验证,并计算了稳定性、操纵性导数.计算结果与参考数据吻合较好,证明模型可用.根据军用直升机飞行品质规范（GJB902—90）,选取的典型气动布局参数,计算了不同参数下的直升机的动态响应特性和操纵特性,分析了飞行品质对设计参数的敏感性.结果表明,旋翼高度对各项飞行品质指标都有明显的影响,降低尾桨高度能显著提升滚转操纵功效的品质等级,尾桨纵向位置是影响偏航操纵功效和偏航操纵灵敏度的主要因素.      

直升机概念设计中的部件参数化

为了满足直升机概念设计阶段对方案快速建模的要求,在面向对象技术的基础上提出了直升机概念设计阶段部件的建模分类方法,并且建立了一个计算机辅助直升机概念设计系统.应用非均匀有理B样条NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲面和基于特征的部件造型技术,实现了各种型式直升机方案的参数化建模.其中结合设计参数提出了旋翼的桨叶、桨尖、桨毂以及整流罩的描述参数,并对涵道尾桨进行了分段造型处理.最后给出了该系统中生成的两个设计方案作为实例以验证所提出方法的便捷性和有效性,这些方法也为进行设计方案的性能分析和优化等后续工作奠定了基础.      

悬停状态下小型无人直升机飞行动力学模型辨识

为了更好地研究小型无人直升机悬停状态动力学特性,对一个8.1 kg三轴陀螺仪增稳的电动直升机,从线性系统辨识方面及非线性建模方面,进行了动力学模型深入研究。在线性系统辨识过程中,应用频域辨识方法,在飞行中同时采集陀螺仪之前及之后的操纵数据进行双系统辨识。在非线性建模过程中,机体、旋翼及尾桨动力学被分别建模。尾桨动力学应用3阶段辨识法单独提取基底、陀螺仪及整体增稳模型。结合2种分析过程,应用非线性-线性模型结合修正方法,提高相互的仿真精度。结果表明:13阶高阶模型在线性辨识过程中相对比11阶模型表现更优;双系统线性模型的基底模型数据具有高质量高频特性,最高频率限制可达30 rad/s;除挥舞方程参数和尾桨参数以外,非线性数学模型（NMM）进行了7个非线性变量的修正,有效地拟合了悬停实验数据。