飞机大振幅非定常滚转运动的非线性稳定性分析

本文根据某飞机大振幅非定常滚转力矩的风洞试验结果,采用两种方法,计算了飞机绕体轴作自由滚转运动时的滚转角时间历程,分析研究了飞机非线性滚转运动的稳定性,并对非定常空气动力对飞机稳定性的影响作了较深入的研究.本文通过两种滚转运动时间历程结果的比较,表明了给出的从大振幅实验提取常规动导数方法是可行的;而且也表明了通过测量飞机绕体轴滚转时大振幅非定常滚转运动时的滚转力矩值,可以研究飞机的摇滚(Wing rock)特性,从而使大振幅非定常空气动力风洞试验既能提取常规动导数,又能进行飞机摇滚特性的研究,使三种研究方     

联动副翼鸭式导弹滚转控制特性数值研究

为解决鸭式导弹舵翼下洗造成的滚转反效控制问题,提出了一种新的鸭式气动布局方案:在尾翼部位加装联动副翼控制滚转。采用Tecplot和Fluent软件对联动副翼鸭式导弹进行了全弹流场和滚转特性的数值模拟,并运用用经典控制理论分析了滚转控制回路。数值计算结果验证了鸭式导弹采用联动副翼气动方案的可行性,为鸭式导弹的滚转特性研究提供了理论参考。     

鸭式导弹尾翼滚转特性数值研究

为了分析鸭式布局导弹翼面滚转特性,采用求解三维可压缩雷诺平均N-S方程组的方法,分析研究表明,鸭式布局导弹尾翼诱导滚转力矩主要来源于翼面。当舵面进行差动偏转进行滚转控制时,不对称下洗流动会上在翼面附加滚转力矩,这种影响随攻角变化。     

基于定常N-S方程的导弹滚转数值模拟研究

基于商业CFD软件FLUENT定常N-S方程,在不同计算资源下数值模拟了某标准导弹在不同飞行马赫数、滚转速度和迎角时的滚转特性,并与AEDC报告实验结果进行了对比。计算结果验证了定常算法数值模拟滚转阻尼系数的可行性及其在不同计算资源下计算精度的可优化性,而且定常算法与非定常计算相比消耗更少的计算资源。     

导弹大迎角下非线性诱导滚转力矩数值研究

采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,研究战术导弹大迎角状态下涡破裂导致滚转力矩随迎角非线性增长引起舵面控制能力不足的现象。首先通过标准模型的数值分析,验证了所采用的CFD方法具有三角翼前缘涡破裂现象的捕捉能力;然后采用雷诺平均Navier-Stokes方程对某“++”字正常布局导弹构型（含弹翼、弹身、尾舵和整流罩等）进行了数值模拟,结果显示亚声速状态下滚转力矩在迎角大于20°时出现非线性增长,导致全动尾舵的滚转控制能力不足。通过分解各部件对滚转力矩的贡献,并分析流场结构,探明了该现象发生的流动机理,其主要原因是：随着迎角的增长,弹体迎风面的尾舵前缘涡首先发生破裂,导致其平衡诱导滚转力矩的作用被削弱。     

吸气式高超声速飞行器俯仰/滚转耦合运动特性

针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞机开展了进气道通流状态下俯仰/滚转耦合运动相关研究。通过数值模拟获得了滚转单自由度静稳定性、动稳定性以及强迫俯仰/自由滚转运动下的两自由度耦合动稳定性,研究了飞行器转动惯量以及俯仰运动频率对耦合运动的影响,简要分析了耦合运动的机理。研究发现虽然此飞行器具有滚转静稳定性和动稳定性,但是在强迫俯仰/自由滚转运动过程中,滚转通道却出现了小幅度振荡与大振幅振荡交替出现的情况,最大滚转角超过70°。小幅度振荡出现在正弦俯仰振荡的上半周期,其振荡频率随轴向转动惯量增加而降低,幅值随俯仰振荡频率增加而增大;大振幅振荡出现在下半周期,其幅值基本不变,而振荡频率与俯仰振荡一致。这种现象基本不受惯性耦合作用影响,可以认为是由气动力主导的。     

边条翼飞机气动特性改进研究

 针对边条弯扭及改变双立尾展向位置对全机纵横向气动特性的影响进行了试验研究。结果表明 :边条弯扭可以在一定程度上提高最大升力系数,增加航向稳定的迎角范围,但对滚转稳定的迎角范围没有什么影响。当双立尾分别移到机身外侧置于机翼上时,可以显著提高全机最大升力系数,同时使航向和滚转稳定的迎角范围大为扩展。     

鸭式导弹舵面后缘后掠角对滚转影响数值研究

鸭式布局导弹的滚转特性是抑制其性能提升的重要约束.采用数值模拟方法对鸭式导弹滚转特性进行研究,分析舵面后缘后掠角对其影响.以三维可压缩雷诺平均N-S方程为主控方程来模拟流场特性,湍流模型采用SST的κ-ω二方程,基于气动特性和流场特性分析研究了固定尾翼鸭式气动布局导弹的横滚特性.仿真结果表明,鸭式布局导弹的舵面后缘后掠...     

某典型飞行器模型俯仰/滚转两自由度耦合动态气动特性

先进飞行器在大迎角高机动飞行过程中,气动力复杂演化与运动姿态剧烈变化的相互作用,容易诱发俯仰拉起的滚转或侧偏等耦合运动,呈现出十分强烈的多自由度动态气动力特性。为此,选取某典型四代机修型设计模型,利用FL-26风洞专用的俯仰/滚转两自由度动态试验装置,开展了单自由度和俯仰/滚转两自由度耦合运动的动态气动力特性研究。结果表明,研究模型在迎角30°左右会出现滚转单自由度的侧偏和小振幅摇滚运动现象;俯仰单自由度振动条件下,模型法向力和俯仰力矩会出现明显的气动迟滞特性;在强迫俯仰/自由滚转（或强迫滚转）两自由度耦合运动情况下,模型的侧偏运动幅值得到了一定的抑制,但纵横向气动力都出现了迟滞现象,甚至是多个气动迟滞环结构,容易引发耦合失稳发散。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

窄条翼导弹模型摇滚运动动力学特性研究

利用NS方程和飞行力学方程耦合的数值模拟,研究分析了窄条翼导弹模型摇滚运动的动力学特性和产生机理。控制方程为URANS和刚体单自由度转动方程,计算取Roe格式、SA湍流模型、双时间步法,气动/运动耦合采用双时间步三阶Adams预估校正法。计算Ma=0.6,α=35°,模型进入极限环振荡,振幅10.14°,周期20Hz,与风洞试验结果吻合较好。受力分析表明力矩迟滞曲线为双8环,中间为不稳定环,两侧为稳定环;模型的动不稳定性是由迎风尾舵引起,背风尾舵不能提供足够的动稳定性,导致模型丧失滚转阻尼,最终进入等幅等周期的极限环振荡;计算证实,该极限环是稳定的,模型在任意初始状态或微扰动作用下都将进入该极限环振荡。计算结果还表明,在非定常效应较强时,转动惯量对摇滚振幅影响不大,对频率影响明显。     

窄条翼布局导弹摇滚特性及流动机理

钝头体窄条翼布局导弹在大攻角下拥有极为优异的纵向气动特性,但横向容易失稳,做快速机动时容易诱发非指令的横向不稳定运动。通过开展高速风洞自由摇滚试验和数值模拟,研究了窄条翼导弹自由摇滚特性和流动机理,试验与计算吻合较好。研究发现:较大迎角时,窄条翼面积中心距离尾舵前缘根部5~6倍直径时,模型会进入极限环摇滚,窄条翼位置对模型稳定性有显著的影响,去掉窄条翼或尾舵时,模型均不会进入摇滚;模型空间流场特性表明,气流经过窄条翼时形成的片涡,对背风舵产生强烈的干扰,抑制了尾舵涡的形成和发展,使背风舵动态失稳,导致模型进入极限环摇滚。     

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

一种小边条飞机的低速气动特性及其外翼分离控制研究

油流试验表明,迎角α＝８°时,小边条机翼的外翼上就出现分离区。通过加翼刀或锯齿或缩短翼展都可以抑制分离区的发展。试验表明,采用加双翼刀和缩短翼展的组合方案,可以使升力曲线随迎角的变化直到α＝１６°都是线性的。     

边条机翼布局战斗机稳定性改进研究

对边条机翼布局战斗机的纵,横向稳定性改进措施进行了研究,结合具体战斗机布局,给出了边条机翼布局战斗机纵,横向稳定性的一般特征,对前缘襟翼下偏,翼刀,平尾下反和机身截面修形等几种气动布局改进措施的风洞试验结果进行了简要讨论,结果表明,所研究的气动布局改进措施都能有效提高边条机翼布局战斗机的稳定性,其中,前缘襟翼下偏既能完全克服俯仰力矩曲线非线性上翘问题,又能较好地解决横侧向稳定性丧失问题。     

旋涡与垂尾相互作用的实验研究

采用七孔探针对一种边条翼双垂尾布局的飞机模型进行了空间压力场和速度场的测量。通过对于不同垂尾布局下旋涡与垂尾相互作用的流场特性的分析和比较,探讨了垂尾安装位置对飞机气动特性影响的机理     

具有离体涡的边条布局的低速气动力数值计算

使用等效集中涡和输入涡来模拟边缘离体涡的涡格法,在本文中应用到边条机翼布局的气动力计算中。在进行边条机翼的“混合流型”的气动力计算时,对边条采用了产生离体涡的计算模式,在主翼上则采用了附着流动的计算模式。使用这种方法,对两组边条布局进行了计算,计算结果与实验数据进行了比较。     

三角翼受迫俯仰滚转耦合运动的气动特性研究

基于刚性动网格的技术,选用B-L湍流模型,利用有限控制体积法对N-S方程进行数值离散,对76°大后掠三角翼的受迫俯仰滚转耦合运动进行了数值模拟,在此基础上,对俯仰滚转耦合运动的气动力特性和流场结构进行了分析.计算结果表明:俯仰滚转耦合运动时,三角翼上表面的涡分布的非对称性将产生横侧方向的偏航力矩和滚转力矩,滚转力矩和偏航力矩随着滚转振幅角和滚转缩减频率的增大而增大,但对法向力影响不大.     

某型导弹翼面裂纹分析

针对某型导弹出现的翼面细微裂纹故障,分析了裂纹的形成机理,计算了翼面裂纹扩展速度和可使用循环次数,认为裂纹在导弹挂飞时不会进一步扩展,在机动飞行时仍可承受较多的脉动循环周次。