垂直/短距起降飞机的控制仿真技术

针对垂直/短距起降飞机的特点,通过在某型飞机上虚拟加装升力风扇系统,建立了垂直/短距起降飞机的动力学模型,提出了垂直起降阶段垂向、纵向、横向和航向的控制方式并完成了控制律的设计与验证。研究结果表明,所建立的垂直起降动力学模型能够描述垂直起降飞机的动力学特点,提出的控制方式和设计的控制律能够有效地控制飞机实现垂直升降、侧飞、偏航、前飞和后飞等运动,可用于垂直起降飞机的飞行品质、起降程序的设计和验证等相关方面的研究。     

短距起飞/垂直降落飞机外流场特性研究

为探索和研究短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机,在垂直降落状态时的外流场特性和热燃气再吸入等飞推一体化关键问题,对STOVL飞机F-35B进行了飞机机身重构和网格划分,利用Fluent软件完成了F-35B外流场的三维数值模拟。研究了垂直降落状态下飞机不同离地高度和不同喷管面积下的热燃气再吸入问题。同时,给出了进气道入口截面、地面和机身的温度分布,直观说明了其升力系统方案的外流场技术特点。结果表明:为防止热燃气再吸入,应合理选择升力风扇喷口与主发动机喷口的面积相对值,并结合实际所需升力比,尽量减小两个喷口的面积比。     

基于响应面法的短距/垂直起降飞机近地面升力损失

建立了短距/垂直起降(S/VTOL)飞机近地面升力损失的流场计算模型.通过数值模拟得出特定升力布局的飞机近地面状态各工况的升力损失.采用响应面法获得了飞机升力损失关于喷管落压比（NPR）、来流速度及飞机高度的2阶响应曲面函数及显著影响飞机升力损失的关键因素.并分析了喷管落压比、来流速度及飞机高度对飞机升力损失的交互影响作用,优化得出给定工况范围内升力损失最小的工作点.研究表明:仅考虑单因素影响时,升力损失随高度、落压比的增大而减小,随来流速度的增大而增大;考虑两因素交互作用时,高度与落压比及来流速度与落压比对升力损失存在交互影响,而高度与来流速度对升力损失无交互影响;优化获得的升力损失最小的工作点是飞机距地面高度为9D（D为喷管直径）、喷飞机高度为3、来流速度为0m/s,此时的升力损失为1.3%.      

垂直/短矩起降飞机机翼内埋式风扇布局气动特性分析

以垂直/短距起降飞机过渡飞行状态为背景,针对机翼内埋式风扇布局的自由来流/风扇喷流混合型流动,基于结构/非结构混合网格使用CFD方法进行了非定常数值模拟和分析.首先使用滑移网格技术对NASA涵道螺旋桨进行算例验证,其时均计算结果与实验值的误差为5.3%,证明了计算方法的可靠性和准确性,然后数值模拟了机翼内埋式风扇布局在不同迎角下的气动性能.结果表明:风扇喷流在机翼上产生了特有的“抽吸”和“堵塞”效应,引起了机翼总升阻力的显著增加,升力最大增量达到干净机翼升力的2.6倍,阻力最大增量为干净机翼阻力的3.2倍,混合流场在机翼后缘引起了升力损失并卷起对涡.      

一种新型垂直起降升力装置的气动特性分析与数值仿真

飞行器的垂直起降性能具有很高的军事价值和商业价值。但是目前垂直起降升力装置存在结构复杂,耗油量大,对地面热蚀严重等诸多问题,并且还限制了飞行器原有的性能,因此研究新型高效、简单实用的垂直起降升力装置迫在眉睫。本文基于二维N-S方程组和Spalart-Allmaras湍流模型,利用Fluent流场仿真软件,研究论证了一种...     

基于LADRC的舰载V/STOL飞机短距起飞性能优化

针对垂直/短距起降（V/STOL）飞机在有限的甲板上实施滑跑起飞以及离舰后快速、稳定爬升的实际需要,对其整个过程进行操控优化以提升短距起飞性能。建立了反映多推力矢量操纵特性的非线性动力学模型,其中包含了地面效应模型和V/STOL飞机特有的喷气诱导效应模型。分别以舰面滑跑距离最短和离舰后增速时间最短为优化指标,给出了舰面滑跑和离舰初期的预置多推力偏转方案。在此基础上,提出了一种线性自抗扰反演（LADRC-Backstepping）控制方法,以实现对爬升角不确定非仿射系统的有效控制,其中设计了一种辅助补偿系统来拟制控制量的饱和,同时保证了爬升角跟踪误差的有界性;直接利用一种高阶LADRC方法设计了俯仰角控制器,确保了V/STOL飞机最终以稳定的姿态爬升。仿真结果表明,所提出的"二次预置多推力偏转角+爬升角控制+俯仰角控制"的分段优化操控策略,能够较好地提升V/STOL飞机的短距起飞性能,对内部不确定性和外界干扰具有较强的鲁棒性,可满足实际飞行任务的需要。     

大型飞机气动布局研究

介绍飞机的各种气动布局形式,包括常规布局和非常规布局分析;比较各种气动布局形式的优缺点和特殊性,指出需要进一步解决的气动技术问题;最后论述飞机气动布局的发展趋势,提出未来大型飞机全新概念布局研究的方向。     

腹部襟翼对飞翼布局飞行器起降气动特性的影响

以某飞翼布局飞行器为初始外形,利用数值模拟方法针对起降状态下腹部襟翼的安装位置及偏度进行了选型研究,并得到了腹部襟翼打开对升降舵舵效以及地面效应的影响规律。结果表明,当腹部襟翼位于重心后40%平均气动弦长时,在保持大迎角良好增升效果的同时对俯仰力矩的改变量也较小;随着腹部襟翼偏角变大,升力系数和阻力系数呈现出准线性增长,而俯仰力矩变化量较小,升降舵偏转1°左右即可配平;相比于腹部襟翼关闭状态,腹部襟翼打开后,升降舵舵效降低约6%,飞行器地面效应引起增升量变大,但纵向静稳定度有所降低。     

垂直起降飞行器升力突降动态过程的数值模拟研究

针对短距/垂直起降(STOVL)飞行器动态起飞过程,采用基于雷诺时均方程的标准k-ε模型数值模拟STOVL飞行器气动流场,研究STOVL飞行器吸附力大小,获得了动态过程吸附力随冲击高度变化曲线,发现升力板下壁面主涡结构的存在和运动影响升力板静压沿程分布。在无量纲冲击高度小于3时,吸附力曲线斜率增大,吸附作用增加,并对比稳态结果,发现动态过程吸附力要大于稳态过程,在无量纲高度为1.5时,两者相差26%。流场响应迟滞是造成稳态、动态过程结果差异的原因。     

S弯D形矢量喷管参数化设计及气动特性研究

为了满足战机对垂直/短距起降能力的要求,基于曲率控制方法对具有D形出口的S弯喷管进行参数化设计,进而可实现喷管尾段的大角度偏转。随后对不同偏转角、落压比以及设计参数的S弯D形矢量喷管气动特性进行数值模拟,对比并分析了喷管的气动特性。计算结果显示：无偏转条件下,随着落压比π从1.5增大至3.5,喷管流量系数先增大后平稳,在π=2.5时达到最大值,推力系数先增大后减小,且推力方向为飞行器产生一定的抬头力矩;落压比恒定时,随着偏转角度从0°增大至90°,喷管流量系数、推力系数下降,矢量超前角由负值不断增大至+6°左右;设计参数中预留偏转角对喷管气动性能影响较大,而S弯中心线控制系数对气动性能影响较小。本文提出的S弯D形喷管具有较好的气动性能,小偏转角度下矢量角变化趋势较为一致,亦可通过出口段偏转实现发动机推力的大角度矢量偏转。     

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.      

考虑动力影响的大型运输机增升构型气动特性研究

为满足现代大型运输机增升系统高效、稳定的设计需求,以某型运输机增升构型为研究对象,通过数值模拟方法研究了动力因素对全机气动特性的影响。数值模拟结果表明:在动力因素影响下,全机最大升力系数增加46.2%,失速迎角增加11°;全机静安定度降低30.89%。通过流场机理分析可知:动力因素不仅对短舱后方襟翼当地流场有较大改善,而且对短舱和主翼上表面流场以及平尾当地迎角也有显著影响。基于以上结论,在运输机增升构型设计过程中,要充分考虑动力因素对各个部件当地流场的影响以提高升力特性;同时要权衡动力因素使机翼低头力矩增加、平尾低头力矩降低这两种趋势相反的影响结果以改善俯仰力矩特性。     

三轴承旋转喷管矢量偏转规律及流场特性研究

基于短距/垂直起降战斗机用三轴承旋转喷管的特殊设计要求,通过几何约束条件开展了三轴承旋转喷管型面设计方法及运动规律推导与研究,研究了非线性和线性两种喷管矢量角控制规律下的三段筒体随时间的旋转规律。根据小型涡轮喷气发动机的几何尺寸,利用发展的型面设计方法和喷管筒体旋转规律,设计了小尺寸三轴承旋转喷管,并利用CFD数值模拟技术对该喷管的流场特性进行了计算与分析。通过CFD数值模拟技术得到了不同矢量角下喷管的三维流动特性及不同落压比下的气动特性。结果表明:采用喷管矢量角非线性控制规律可以减少非线性控制变量,保证喷管机动性的前提下减小了喷管的设计难度和控制复杂度;基于小型涡轮喷气发动机设计的三轴承旋转喷管0°的推力系数较理想喷管低,90°的推力系数较理想喷管高,喷管在地面最大落压比下0°比90°推力系数高约1%。     

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。     

火箭子级垂直回收布局气动特性及发动机喷管影响

垂直回收可重复使用运载火箭是运载火箭发展的一个重要方向,大长细比的火箭子级垂直再入过程属于典型的非规则钝头体绕流,与传统低阻力流线体飞行器气动特性差异较大。采用风洞试验辅以数值仿真分析的方法,对基于栅格舵的火箭子级垂直回收构型基本气动特性和非规则钝头体绕流情况进行了研究,获得了发动机外露喷管和栅格舵对火箭子级垂直回收气动特性的影响规律,给出了火箭子级垂直回收布局设计建议。结果表明：火箭子级倒飞状态下肩部区域会在小迎角下产生大分离流动,外露发动机喷管左右两侧诱导出较强的分离涡结构,与火箭尾翼、肩部大分离流动相互作用;垂直回收构型在超声速下阻力会一直处于较高的水平,不同马赫数下压心移动量较大,倒飞时发动机外露喷管会产生较大的干扰静不稳定力矩,其量值与栅格舵提供的静稳定控制力矩基本相当,在火箭子级垂直回收方案设计时需要引起注意。     

地面效应下前/后掠翼气动特性研究

针对飞行器在地效区飞行时复杂的流场特性,通过求解定常可压N-S方程,改变机翼后掠角和地效区飞行高度,研究不同前/后掠角机翼在地效区内的气动特性。结果表明:在地效区内,随着后掠角的增大,机翼的升力系数和阻力系数呈现先增后减的变化规律,后掠角在0°附近时升力系数达到最大值,阻力系数在10°附近达到最大值;俯仰力矩系数随着后掠角增加而减小;展向流动在后掠角为0°时最小,展向流动随着后掠角增大或减小剧烈变化;机翼下洗角随着后掠角增大而减小,随着离地高度的减小而减小。研究结果可为地效飞行器的概念方案设计和优化提供理论依据。     

伸缩机翼变体飞机气动特性研究

伸缩机翼变体飞机通过机翼伸缩调整机翼展长,从而改变机翼面积和展弦比,改变飞机的气动布局和机翼的气动特性,满足多任务点的设计要求。简要介绍伸缩机翼变体飞机的发展历史,重点研究一种采用伸缩机翼设计的超音速飞机的气动特性变化。研究结果表明：亚音速时机翼展长伸长,展弦比增大,飞机诱导阻力降低,升阻比提高,可以明显提高飞机的航程;超音速时机翼展长缩短,展弦比减小,飞机的波阻降低,升阻比增大,提高了超音速飞行性能。伸缩机翼概念用于超音速飞机设计时能很好地兼顾亚音速巡航和超音速冲刺。     

飞翼布局无人航空器气动特性研究

飞翼布局飞机取消了尾翼,拥有良好的气动、隐身特性,但操纵效率有所下降,需要在飞机设计过程中合理地布置操纵面,改善飞翼飞机在操纵性能上的缺陷,因此,飞翼飞机的操纵面不仅要提供足够的控制力,同时还要满足飞机的稳定性要求.对飞翼布局飞机的气动特性和基本操稳特性做理论分析,并利用试验做实际对比,研究飞机的气动特性,分析各操纵面的功能、操纵特性以及存在的问题,为增强飞机稳定性和设计增稳系统增加依据.     

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。     

旋转机翼对CRW飞机气动特性影响的动态试验研究

鸭式旋翼/机翼（CRW）飞机是一种新型复合升力飞机。旋转机翼的焦点位置、迎风面积随旋转机翼方位角剧烈变化,同时旋转机翼气动力受前机身上洗流影响明显,综合影响使得旋转机翼在旋转状态下全机气动特性随旋转机翼方位角剧烈变化。通过风洞试验对纵向气动特性进行了研究,结果表明：旋转机翼的升阻特性变化对全机升阻及俯仰特性的影响以振荡的形式表现,频率为旋转机翼的旋转频率,幅值都在固定翼状态稳态值的5%以上。