微型飞行器优化设计及气动特性分析

微型飞行器(MAV)气动布局形式是影响其飞行性能指标的关键因素之一。从总体角度出发，设计出三种不同气动布局的MAV，并对其进行了优化设计和气动特性分析。研究结果对MAV气动布局的设计有一定的指导意义。     

一种常规布局民用飞机的动稳定性导数研究

对动导数的三种获取方法进行了简要描述,主要是风洞试验和工程估算,其次是近几年悄然兴起的数值计算.针对一种常规布局的民用飞机的全机构型,对比分析了工程估算和风洞试验的结果,包括各种姿态振荡,分析了振幅大小、振荡频率和重心变化对动导数的影响,并分析了雷诺数效应对非线性气动特性的影响.通过工程估算的方法对该飞机的动导数进行了估算,采用了欧美和苏俄两种不同类型的方法,交叉验证了工程估算的精准度.     

民用飞机气动工程估算软件设计与开发

工程估算是飞机概念设计阶段常用的气动力计算方法,其计算效率高,并且满足飞机概念设计的精度要求。工程估算过程涉及大量的图表查阅与数据插值,传统的手动计算存在工作量与人为误差较大的缺点。针对上述问题,在已有工程估算方法的基础上,搭建了气动工程估算数据库,提出了软件的系统架构与组成,设计并开发了基于民用飞机的气动估算软件。软件具有良好图形用户界面,提供了多种输入方式与自动多维插值算法,与手动计算相比,减少了计算工作量,提高了计算效率和精度。以某大型民用飞机为对象,利用软件进行气动工程估算,并与算例的计算流体力学法(CFD)结果进行比较。结果表明:二者结果基本相符,而且计算成本远低于CFD方法。这体现了软件在民机概念设计阶段具有较高的工程实用性。     

不同布局的微型飞行器气动特性

微型飞行器(MAV,Micro Aerial Vehicle,同时也称为微型飞行机器人)概念起源于20世纪90年代初,由于微型飞行器具有体积小、重量轻的飞行平台优势,在军民两用方面具有十分广阔的应用前景。本文的研究方向是通过对4种不同形状的机翼在AR=0.5,1和2时的气动性能进行计算,得出影响微型飞行器气动性能的主要因素;本文主要通过Catia进行几何建模,通过Gambit建立网格模型,然后通过南京航空航天大学MAV实验室编制的气动软件进行气动性能计算,最后通过对实验数据进行分析比较得到不同布局的微型飞行器的升力特性、阻力特性、力矩特性和压力分布,从而得到影响小展弦比微型飞行器气动性能的主要因素。     

微型飞行器低雷诺数三维流场数值模拟

针对当前所研究的微型飞行器(MAV)流动特征,采用时间相关法和有限体积法求解N-S方程,选择了Van Albada插值限量因子的高分辨率空间差分格式,建立了模拟MAV三维低雷诺数流场的数值计算方法。通过熵校正技术改进和粘性计算准确性与网格密度关系的分析,确保了流场计算的准确可靠。使用该数值算法,对某常规气动布局的MAV进行流场模拟和分析,并比较了其流场与常规尺寸飞行器的不同。     

结冰飞机气动系数和气动导数的估算方法

飞机在结冰后气动系数、导数会发生变化,由于多种原因,精确地计算其变化量是很困难的。为定量计算其对飞机性能、品质的影响并有效地控制飞机,本文从工程的需要出发,给出一种估算结冰飞机气动系数、导数的方法,对线性变化的各个气动导数、非线性变化的最大升力系数和阻力系数进行估算。根据估算结果与实验数据的比较表明该方法实用有效,可供飞机结冰问题的研究人员参考     

基于多学科综合的MAV鲁棒飞行控制器设计

气动、结构、推进和环境等学科设计参数变化与耦合对微型飞行器(MAV)性能影响明显，MAV飞行控制器设计应考虑这些因素。将MAV多学科模型集成在统一框架下，提出了基于各学科设计参数变化的线性化建模方法，研究了利用μ综合手段进行MAV飞行控制器设计的方法和步骤，并将此方法应用于某MAV纵向控制器的设计与评估中。     

飞翼式微型飞行器飞行动力学特性研究

微型飞行器(MAV)非线性飞行力学特性研究是MAV设计中的一个重要环节。由于MAV具有自身尺寸微小,飞行速度低等特点,其空气动力学低雷诺数效应十分明显。飞翼式MAV的非常规气动布局也使得其飞行力学特性与常规飞行器有很大差异。以低雷诺数风洞实验为基础,研究了飞翼式MAV空气动力学特性,提出了1种针对飞翼式飞行器的动阻尼导数计算方法。在飞翼式MAV飞行速度范围内将其运动方程分段线性化以研究其飞行力学特性数值规律。结果表明,飞翼式MAV各项飞行品质指标与常规飞行器存在很大差异,在整个飞行范围内其飞行动力学特性呈非线性变化规律。本文的研究对实现飞翼式MAV自主飞行控制具有重要意义。     

快速CFD计算工具在民机概念优化设计中的应用

高亚声速民机概念设计和优化阶段需进行大量的反复迭代,其中气动力计算的准确性与时效性是一对很难处理的矛盾体。Navier-Stokes(N-S)方程可进行较为精确的计算,但需要付出的时间和资源代价很大;工程估算方法可以快速得到估算结果,但精度较差,尤其表现在跨声速阶段的波阻估算。本文采用基于全速势方程的快速CFD计算工具与工程估算相结合的气动计算方法,避免了N-S方程耗时长和工程估算精度差的问题,实现了在民机概念设计和优化程序中的集成和应用。     

基于MAV形变控制的鼓包装置几何分布优化

 提出了在微型飞行器(Micro Air Vehicle —MAV) 表面安装鼓包控制装置进行姿态控制的思路,针对某无尾MAV ,研究了单点鼓包凸起对气动力、气动力矩的敏度影响;以此为基础,选择了4 个鼓包控制组及相应候选控制点,利用遗传算法进行了气动、控制学科的并行优化,并对优化设计方案的控制响应特性进行了分析,表明方案可行。     

前缘缝翼开口分段对增升装置气动特性的影响

为了研究高升力系统中开口分段的前缘缝翼对增升装置气动特性的影响,对不同构型生成结构化网格,及其流场进行了大量的数值模拟。在同等状态下,结合不同构型的计算结果,分析了开口分段的前缘缝翼对增升装置气动特性的影响。研究表明,机翼失速不仅与开口宽度有关,而且与前缘缝翼上的开口位置有关。     

联接翼气动／结构协同优化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器布局形式。针对联接翼气动／结构一体化的布局概念，通过结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型技术，采用基于响应面的协同优化算法对其进行了气动与结构一体化设计，所获计算结果对大展弦比联接翼飞机构型初步设计具有参考价值。     

类乘波体飞行器的气动力工程计算

为估算高超声速类乘波体飞行器的纵向气动力,以三角形面元逼近飞行器外形,根据飞行器迎/背风面情况分别采用达黑姆-巴克法、普朗特-迈耶耳法、切锥法和膨胀波方法计算无粘气动力;通过经验公式估算粘性阻力,并考虑飞行器主要部件之间的气动干扰情况,计算了翼片之间、翼身之间的气动干扰因子,得到整个飞行器的气动力。为验证该方法,以某飞行器为例进行了计算,计算结果与CFD吻合。     

协作优化在无人机概念设计中的应用

多学科设计优化（MDO）是当前飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域,而协作优化是解决多学科设计优化问题的一种二级MDO算法。将协作优化应用到无人机的概念设计中,建立了包含气动、重量、性能和稳定性四个学科的无人机系统优化模型。与传统的设计方法相比,该方法为无人机在概念设计阶段提供了更加合理的飞行器外形,降低了初步设计和详细设计阶段对飞行器外形修改的可能性,从而缩短研制周期和降低成本。     

基于表面技术的气动模型精密加工应用研究

表面技术应用于超高速气动实验模型的加工中,结果表明大大提高了模型的寿命,传统机械加工与表面工程相融合是气动模型加工新的复合工艺。     

导弹气动伺服弹性稳定性分析

分析了带有舵面及控制系统的战术导弹的气动伺服弹性稳定性。动力学方程中包含弹体的一阶弯曲振动、弹体的刚体平动和转动 ,可控舵面只考虑刚体偏转。用细长体理论和气动导数方法计算了导弹的非定常气动力 ,两种方法均适用于亚音速和超音速情况。采用 Nyquist方法和 Bode图方法分析了某导弹的气动伺服弹性稳定性和稳定裕度 ,两种气动力方法所得结果一致。     

地效飞机的纵向稳定性和气动布局特点研究

分析了地面效应对飞机气动力特性的影响,以及地效飞机不同于常规飞机的纵向稳定性准则,包括重心与迎角焦点和高度焦点的位置关系、影响其纵向稳定性的主要气动导数等。研究结果表明,地效区内飞机的气动力随高度呈非线性变化,而重心必须位于迎角焦点与高度焦点之间并且靠近高度焦点才能保证地效飞机的纵向稳定性。最后根据地效飞机的稳定性准则,讨论了保证地效飞机良好飞行品质的气动布局要求。     

高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

A fully automated framework for helicopter rotor blades design and analysis including aerodynamics,structure, and manufacturing

This study describes an integrated framework in which basic aerospace engineering aspects (performance, aerodynamics, and structure) and practical aspects (configuration visualiza-tion and manufacturing) are coupled and considered in one fully automated design optimization of rotor blades. A number of codes are developed to robustly perform estimation of helicopter config-uration from sizing, performance analysis, trim analysis, to rotor blades configuration representa-tion. These codes are then integrated with a two-dimensional airfoil analysis tool to fully design rotor blades configuration including rotor planform and airfoil shape for optimal aerodynamics in both hover and forward flights. A modular structure design methodology is developed for real-istic composite rotor blades with a sophisticated cross-sectional geometry. A D-spar cross-sectional structure is chosen as a baseline. The framework is able to analyze all realistic inner configurations including thicknesses of D-spar, skin, web, number and ply angles of layers of each composite part, and materials. A number of codes and commercial software (ANSYS, Gridgen, VABS, PreVABS, etc.) are implemented to automate the structural analysis from aerodynamic data processing to sec-tional properties and stress analysis. An integrated model for manufacturing cost estimation of composite rotor blades developed at the Aerodynamic Analysis and Design Laboratory (AADL), Aerospace Information Engineering Department, Konkuk University is integrated into the framework to provide a rapid and dynamic feedback to configuration design. The integration of three modules has constructed a framework where the size of a helicopter, aerodynamic performance analysis, structure analysis, and manufacturing cost estimation could be quickly investigated. All aspects of a rotor blade including planform, airfoil shape, and inner structure are considered in a multidisciplinary design optimization without an exception of critical configuration.