超小型直升机动力学模型的建模、辨识与验证

为实现超小型直升机的自动控制飞行,需建立较为精确的动力学模型.考虑机体、主旋翼/稳定杆和尾桨间的耦合对飞行动态特性的影响,建立了AF25B型超小型直升机的连续线性时不变系统模型.设计并配置了机载设备,完成在遥控飞行状态下的飞行数据采集与存储.通过时域系统辨识方法,辨识了直升机在悬停状态下的模型参数,并对辨识结果进行验证和分析,表明所建模型能充分反映该型直升机悬停状态下的动态特性.     

基于DE算法的共轴直升机模型辨识及精度分析

由于共轴直升机特有的旋翼布局引发了上下旋翼间强烈的气动干扰,采用传统的理论分析和风洞试验的方法难以获得适用于共轴直升机控制系统的飞行动力学模型.为此,设计了飞行扫频试验,根据飞行试验数据得到了悬停状态下包含共轴直升机飞行动力学模型耦合特性的非参数频率响应,运用仿生智能计算方法中的微分进化(DE,Differential Evolution)算法拟合频率响应建立了悬停状态下的共轴直升机状态空间模型.利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算,说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度.通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据的结果,说明辨识得到的模型能充分反映共轴直升机的飞行动力学特性,可用于飞行品质评估和飞控系统设计.     

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.      

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

在实际包含间隙非线性的复杂结构中,由于间隙不易或无法测量,难以建立准确描述结构特性的动力学模型;即使间隙得到准确测量,也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法,通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数,同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例,通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统,条件逆谱法利用光滑函数近似,时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构,辨识得到间隙非线性系数。      

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.     

直升机尾桨完全失效后自转着陆轨迹优化

为了研究直升机尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程,建立相应的飞行动力学模型并采用最优控制方法进行计算分析。建立直升机6自由度刚体飞行动力学模型,在模型中加入可以描述尾桨完全失效和自转着陆阶段发动机出轴功率以及旋翼转速变化的相关方程,并将直升机尾桨完全失效后的自转着陆问题转换为非线性最优控制问题进行求解。以某型号单旋翼带尾桨直升机为样机,计算空中停车自转着陆过程,并与飞行试验数据进行对比,验证了所建模型和最优控制方法的准确性。计算分析该型号直升机在以巡航速度下前飞时,尾桨完全失效后自转着陆的最优轨迹和操纵过程。从结果可以看出:尾桨完全失效时,直升机在旋翼反扭矩的作用下会产生较大的偏航角速度和侧滑角变化,进而产生复杂的耦合运动,驾驶员在关闭发动机进行自转着陆操作的同时,还需要通过操纵横向周期变距稳定滚转角,并以侧滑的方式来稳定横航向的姿态角,最后安全着陆。计算得到的最优轨迹和操纵过程,与工程试飞得出的定性的结论和建议相符。      

单旋翼直升机气动布局对飞行性能的影响

为研究单旋翼直升机气动布局对直升机飞行性能的影响,以直升机飞行动力学模型为基础,在原始气动布局下分别对平飞、爬升与下滑和稳定协调转弯情况下的旋翼需用功率进行了配平,并计算了飞行性能指标,计算结果与参考数据吻合较好,证明模型可用.以UH-60A直升机为例,研究了不同气动布局参数下的直升机飞行性能,结果表明, 在变化范围内,旋翼位置参数对前飞和垂直飞行性能影响都很大,减小旋翼纵向距离有利于提高飞行性能,尾桨倾斜角在悬停和小速度情况下对飞行性能影响较大,平尾水平位置的后移有助于提升最大飞行速度.      

环量控制翼型非定常气动力建模

针对目前环量控制技术中射流参数与迎角对翼型气动特性的影响高度耦合,对应非定常气动力模型精度较差的研究现状,基于环量控制翼型强迫俯仰振动数值模拟数据,借助Kriging模型实现环量控制翼型的定常气动力插值,借助微分方程模型完成了适用于环量控制翼型的线性微分方程建模,采用两步线性回归参数辨识方法辨识线性微分方程模型中特征时间常数等参数,对高动量系数大振幅流动状态下的非线性影响进行修正。研究结果表明:基于Kriging模型实现的环量控制翼型定常气动力插值精度较传统气动导数模型高,建立的环量控制翼型非定常气动力模型能够精确预测不同流动状态下的气动力和力矩系数变化情况。      

直升机飞行动力学仿射非线性系统建模

建立一种单旋翼带尾浆直升机飞行动力学仿射非线性系统数学模型，为进一步开展直升机非线性系统特性和控制律设计研究做准备，建模过程中，保证了控制量能在方程中线性表示，又保证了模型的精度，以ＵＨ－６０Ａ直升机为对象，进行定直飞行配平计算以及直升机对不同操纵输入的动态响应计算，计算结果与试飞结果吻合，与国外较成熟的非线性工程实时仿真模型相比有相当的精度，证明建模理论和方法的合理和有效。     

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。     

旋翼结冰模型与纵列式直升机平衡特性分析

为了研究纵列式直升机结冰后的飞行动力学问题,基于CFD(ComputationalFluid Dynam ics)技术提出了旋翼结冰的理论模型;基于旋翼冰风洞试验数据,考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响,提出了旋翼结冰的工程模型.建立了纵列式直升机结冰后的飞行动力学模型,研究了不同飞行速度条件下结冰对样机CH-47B平衡特性的影响,分析了环境温度、结冰时间、液态水含量以及平均水滴直径对旋翼扭矩的影响.计算结果的对比分析显示:两种结冰模型在计算精度上基本一致,表明结冰模型合理,能够用来进行结冰后的飞行动力学分析,为纵列式直升机结冰后的飞行动力学研究奠定了基础.     

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.      

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.      

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.     

一种单旋翼复合式直升机性能特性

为研究复合式直升机性能变化特性,构建了复合式直升机各气动部件数学模型组成的性能计算模型。以该计算模型为基础,通过不同的飞行条件约束,建立了复合式直升机的过渡飞行边界,研究了复合式直升机在边界内通过不同飞行路线从悬停模式到高速模式的飞行功率变化特点,分析了旋翼转速、前飞速度以及旋翼和机翼升力分配关系等参数对高速性能的影响。研究结果表明,复合式直升机从悬停模式过渡到高速模式通过旋翼卸载给机翼可降低飞行功率,且通过减小旋翼转速卸载比来减小旋翼总距卸载更为有效。但在过渡到高速模式时复合式直升机的旋翼转速也不能过低,过低的旋翼转速可能会增加飞行需用功率,同时也会对模型的配平产生影响,并且造成配平计算过程的迭代不收敛。      

基于反馈线性化的MSCMG转子稳定控制

磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）转子的稳定悬浮是实现陀螺高精度大力矩输出的关键。针对影响转子稳定悬浮的转子径向偏转耦合、非线性参数摄动、动框架效应问题,建立转子的动力学模型,提出了一种基于反馈线性化的增强型内模控制方法。利用反馈线性化方法实现径向偏转运动解耦以及转子动力学模型的线性化,设计增强型内模控制对转子系统的非线性参数摄动进行补偿并有效抑制动框架效应,提升了转子系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明:所提出的控制方法实现了转子偏转的完全解耦,与PID控制相比,所提方法可以有效抑制参数摄动对转子径向平动的影响。对于转子径向偏转,与PID交叉控制相比,所提方法可以有效抑制框架扰动,提高系统控制精度。