倾转旋翼飞行器飞行力学模型研究

对倾转旋翼飞行器飞行力学模型的建立进行了理论研究.其中旋翼的气动模型,使用了非定常叶素理论,而对于机翼、尾翼和机身的气动力计算则采用了成熟的升力线理论模型.对于气动干扰的问题,则主要是考虑了机翼与旋翼的气动干扰.最后对算例飞行器不同模式下的飞行状态进行了飞行特性计算,验证了所建模型的合理性.     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化

利用最优控制方法研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程,并得到最优操纵策略,使得由时间、姿态角变化以及驾驶员工作负荷等组成的性能指标达到最小。首先,在基本纵向刚体飞行动力学模型的基础上引入混合操纵方程,并使用杆量位移的一阶导数作为控制量,形成适用于计算倾转旋翼机动态倾转过渡过程的飞行动力学模型,从而能在动态倾转操纵策略优化过程中考虑到操纵系统特性对操纵量变化速度的限制,以及避免操纵量在优化过程中出现跳跃不连续。然后,将倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,建立合理的性能指标,并采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,分别计算正向和逆向最优动态倾转过渡过程,并与驾驶员飞行仿真数据进行对比。结果表明:飞行状态量的时间历程与文献吻合地较好,且俯仰姿态角和杆量位移变化更加柔和。最优控制方法可以用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。     

过渡状态的倾转旋翼气动特性计算分析(英文)

针对特殊的旋翼倾转运动,建立了一个过渡状态的旋翼非定常气动力数值计算方法.为正确模拟旋翼倾转运动使桨叶受到的附加惯性力及哥氏力作用,重新推导了旋翼倾转时的桨叶气动力模型和挥舞运动方程;为了适合于旋翼倾转时的入流和气动力计算,入流模型中考虑了倾转运动引起的旋翼尾迹弯曲影响.应用建立的方法,首先进行了旋翼配平计算,以验证计算模型,并给出了倾转旋翼的操纵量.然后,着重计算了旋翼在倾转过渡时的拉力.俯仰和滚转力矩随倾转角的变化,分析了倾转飞行时的前飞速度.倾转时间等对旋翼气动力的影响,得出了一些新的结论.     

微型飞行器的动态特性与飞行控制研究

为把微型飞行器设计成为真正实用的作战武器,在对其气动特性研究的基础上,提出了需及时研究其动态特性的特征和自主飞行控制的设计等问题.最后,结合已经开展的研究工作,探讨了微型飞行器飞行控制系统的组成结构、硬件构成和系统集成等设想.     

基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

复合翼eVTOL电池需求及对动力总成安全性的影响

动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模,利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真,发现在现有电池技术水平下,电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件,针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度,在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的,但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10^-7     

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响.结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不...     

倾转旋翼机过渡段控制器的μ综合设计方法

针对倾转旋翼机过渡段模型参数摄动问题,在状态方程描述的框架下,用线性分式变换形式将模型参数摄动表示为对角块结构,采用μ综合方法设计了倾转旋翼机过渡段飞行控制器。仿真结果表明,存在模型参数摄动和外部干扰时,系统具有较好的鲁棒性和动态性能,验证了该设计方案的可行性。     

倾转旋翼典型飞行状态气动特性的CFD分析

针对倾转旋翼特有的悬停、巡航、过渡3种飞行模式,基于CFD方法分别对倾转旋翼的上述3种典型飞行状态进行了数值模拟.首先,基于运动嵌套网格思想建立了适合倾转旋翼运动模拟的多层运动嵌套网格系统.然后,基于RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)方程建立了适用于非定常流场分析的CFD模拟方法.为了提高整个流场的计算效率,时间推进采用高效的隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss Seidel)方法,并运用SPMD(single program multiple data)并行计算模式.最后,采用所建立的网格生成方法和流场求解器,进行了不同飞行状态下的倾转旋翼气动特性数值分析,验证了建立CFD方法的有效性并得出了多种飞行状态下的气动特性.结果表明:悬停状态下倾转旋翼相对于直升机旋翼有更加明显的下洗流影响区域.巡航状态两旋翼中心间距为2.5R时,倾转旋翼之间存在明显的气动干扰.过渡状态下,倾转旋翼提供的拉力在倾转角为45°前下降较快,且在倾转角较小时,倾转旋翼桨叶表面拉力分布仍能表现出直升机旋翼的特性.      

倾转旋翼机机翼前掠角对副翼操纵性能的影响

基于倾转旋翼机飞行动力学方程与厚翼型机翼的空气动力学的相关理论,对倾转旋翼机过渡阶段复杂的旋翼流场进行了分析,论述了发动机短舱转角的变化和机翼失速拓展特性对副翼操纵性能的影响。以V-22倾转旋翼机为算例,建立了机翼有/无前掠角的实体模型,由等功率过渡段速度特性公式和迎角特性公式求出飞机在等功率过渡模式相应发动机短舱转角下的相关飞行参数,对不同发动机短舱转角下不同的模型进行了数值模拟计算。计算结果表明倾转旋翼机机翼前掠角有改善副翼在大迎角下的操纵性能的作用。     

倾转旋翼机冗余操纵的舵面分配策略和飞行转换路径分析

倾转旋翼机的不同舵面存在冗余操纵,而冗余舵面的分配策略和飞行转换路径对其控制重构具有重要的意义。对建立的小型无人倾转旋翼机全量非线性飞行动力学模型在不同飞行模式下的进行配平计算、模型线化后,求出单位操纵面位移所引起的俯仰、滚转和偏航力矩的改变量,即考察倾转旋翼机各操纵面的操纵功效,并对其结果进行详细分析,以确定倾转旋翼机的冗余舵面控制重构能力;确定各飞行模式下倾转旋翼机的操纵方式,给出舵面分配策略的权重系数矩阵;在此基础上,提出三种不同的全模式飞行转换路径方案,并分别计算三种方案下倾转旋翼机的飞行速度与前倾角、姿态角及操纵量的关系。结果表明:三种方案都能实现对飞行器的合理操纵,表明倾转旋翼机的冗余舵面控制重构是可以实现的。     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

倾转四旋翼机气动特性分析及参数影响研究

采用机身/机翼/尾翼贴体网格与旋翼动量源相结合的CFD方法,开展了某倾转四旋翼机气动布局参数对气动特性的影响分析研究。首先,建立了一套适用于倾转四旋翼机全机干扰流场模拟的数值方法。然后,基于所建立方法开展了不同部件干扰情况下旋翼气动特性分析。最后,分析了前飞速度、旋翼旋向组合、旋翼横向距离对旋翼与机翼气动特性的影响规律。结果表明：后旋翼气动特性受全机干扰的影响较大,后旋翼拉力相对于孤立旋翼减小了41%。随着前飞速度的增加,前旋翼和机翼对后旋翼的气动干扰增强。从机头前方正视,机翼的左旋翼右旋和机翼的右旋翼左旋,有利于改善全机气动性能。前后旋翼的横向距离增大会提高后机翼和后旋翼的气动性能,横向距离为0.5 m时,后旋翼拉力比0 m时增大47%。     

旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响

建立了考虑旋翼桨叶形状、桨叶片数、桨距和转速等因素的等效桨盘模型,该模型中桨叶对气流的作用被等效为时间平均的源项添加到控制方程中,并通过两个算例验证了模型的有效性。对V-22倾转旋翼机飞机模式高速巡航状态下的全机三维流场进行了数值模拟,分析了旋翼流场特征,定量给出了滑流对气动力系数的影响量。计算结果表明:旋翼滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使全机升力系数增大,最大升力系数增量为4.6%;0°迎角下滑流使阻力系数减小了29%,而4°迎角后,滑流使得阻力系数增大,在14°时增量达到了32%;俯仰力矩系数的变化量为4.6%。进一步研究发现,滑流对平尾下表面压力系数分布产生较大影响,而对垂尾影响则较小。      

计入螺旋桨干扰的倾转机翼飞行器气动特性研究

倾转机翼飞行器不仅拥有直升机固有的垂直起降能力,还具备传统固定翼飞行器特有的高速巡航的特点,是目前军民用飞行器研究的热点之一。针对传统倾转机翼飞行器存在螺旋桨气动效率低、倾转机构复杂的问题,提出四发串列式倾转机翼垂直起降布局形式,对该布局飞行器进行总体设计,完成螺旋桨周围流场特性、螺旋桨间干扰特性、螺旋桨和机翼之间干扰特性的研究分析,并制作验证机进行验证。结果表明:该布局很好地解决了螺旋桨气动效率低、传动机构复杂的问题,具有较强的可实现性及实用性。     

倾转旋翼机过渡状态飞行速度对气动性能的影响

针对倾转半机翼类型的倾转旋翼机,采用计算流体力学方法建立过渡状态的数值计算模型,用于其气动特性计算与分析,研究前飞速度对倾转旋翼机过渡状态气动性能的影响。首先,基于动量源方法建立旋翼气动分析模型,对孤立旋翼进行动压分布计算并与试验结果进行对比,验证建立的动量源方法的有效性;然后,建立全机的气动干扰数值计算模型,对机身采用非结构化网格进行划分;最后,分析过渡状态主要部件竖直方向力及倾转段机翼气动性能随前飞速度的变化规律。结果表明：随倾转角增大,倾转段机翼的升阻比减小明显;在小倾转角度下,虽然倾转段机翼发生了失速,但由于其迎风面积增大且在升力方向上具有一定的投影面积,其升力不会迅速减小。     

飞行状态对太阳能飞机中组件性能的影响

基于光伏组件产生功率模型,研究了太阳能飞机中飞行速度、高度、时间及区域等状态参数影响组件性能的规律。以单晶硅组件及Xihe太阳能飞机为研究对象,当飞机飞行速度增加时,组件产生的功率随之增加但趋于饱和。原因在于速度的增加能有效降低组件的表面温度,但提升是有限的。飞机所需的功率随飞行速度呈现指数增加,且组件产生的功率与飞机所需的功率有能量平衡点。组件产生的功率随飞行高度的增加而增加,但有饱和的趋势。原因在于,当飞行高度上升,大气温度随之下降,组件表面温度下降;同时海拔越高,大气密度和大气通透率越大,太阳辐射增加,从而组件产生的功率增加了;饱和的原因在于组件本身性能的限制。一天之中,组件产生的功率基本以太阳时12点为中心左右近似对称,中午最强;一年中组件性能在夏季最强,冬季最弱。原因在于组件性能主要由所受太阳辐射决定。随着纬度的增加,组件产生的功率减小。原因在于,纬度越高,太阳高度角越小,组件所能接受到的太阳辐射也就越小;纬度越低,组件总产生功率越高且平稳。纬度低的地区更适合太阳能飞机的飞行。该文为太阳能飞机的能量分配、长时间驻空提供一定的帮助。